[论文解读] Observation of Breathers in an Attractive Bose Gas

P. J. Everitt, M. A. Sooriyabandara+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 37被引用 4

一句话总结

本论文首次在 85 Rb 原子的吸引性相互作用玻色-爱因斯坦凝聚体中实验观测到物质波呼吸子——一种振荡的、局域的孤子样结构。通过在细长光阱中激发四极模式，并拟合至非线性项为立方-五次的格罗斯-皮塔耶夫斯基方程，作者发现排斥性三体相互作用（Re[g₃] = 1.23×10⁻²⁵ ℏ cm⁶ s⁻¹）是解释观测到的稳定呼吸子及自由膨胀过程中的异常相位移的关键因素。

ABSTRACT

In weakly nonlinear dispersive systems, solitons are spatially localized solutions which propagate without changing shape through a delicate balance between dispersion and self-focusing nonlinear effects. These states have been extensively studied in Bose-Einstein condensates, where interatomic interactions give rise to such nonlinearities. Previous experimental work with matter wave solitons has been limited to static intensity profiles. The creation of matter wave breathers--dispersionless soliton-like states with collective oscillation frequencies driven by attractive mean-field interactions--have been of theoretical interest due to the exotic behaviour of interacting matter wave systems. Here, using an attractively interacting Bose-Einstein condensate, we present the first observation of matter wave breathers. A comparison between experimental data and a cubic-quintic Gross-Pitaevskii equation suggests that previously unobserved three-body interactions may play an important role in this system. The observation of long lived stable breathers in an attractively interacting matter wave system indicates that there is a wide range of previously unobserved, but theoretically predicted, effects that are now experimentally accessible.

研究动机与目标

• 在吸引性相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体中实验观测物质波呼吸子。
• 研究三体相互作用在大负 s 波散射长度下稳定凝聚体的作用。
• 解决仅基于两体相互作用预测与实验观测到的四极振荡频率之间的差异。
• 量化自由膨胀过程中轴向与径向振荡之间的相位差，并将其与多体效应关联。

提出的方法

• 通过 Feshbach 共振实现受控的 s 波散射长度跃迁，在 85 Rb BEC 中激发四极集体模式。
• 利用双轴吸收成像技术，在圆柱对称条件下结合主成分分析与逆 Radon 变换，测量随时间演化的径向与轴向云宽。
• 将云宽的时间演化拟合至衰减正弦曲线，以提取四极模式频率 ωQ。
• 将 ωQ 与 aₛ = 0 时的质心模式频率 ωz 比较，确定比值 ωQ/ωz = 1.67 ± 0.03。
• 通过包含排斥性三体相互作用项（Re[g₃]）的立方-五次格罗斯-皮塔耶夫斯基方程模拟自由膨胀过程，以建模相位移。
• 利用 GP 泛函的能量面分析，证明当 Re[g₃] ≠ 0 时，可在大负 aₛ 下实现凝聚体的稳定，防止塌缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在吸引性相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体中实验观测到物质波呼吸子？
• RQ2 为何在 aₛ = 0 时观测到的四极模式频率比 ωQ/ωz = 1.67 ± 0.03 显著低于非相互作用体系的预测值 2？
• RQ3 何种超越两体散射的多体相互作用可解释四极振荡中观测到的稳定性和相位移？
• RQ4 自由膨胀过程中轴向与径向宽度之间观测到的异常相位差 (0.24 ± 0.06)π 能否通过三体相互作用定量解释？
• RQ5 在大负 s 波散射长度下，引入排斥性三体相互作用项是否能稳定凝聚体以防止塌缩？

主要发现

• 通过细长光阱中的四极模式激发，首次在吸引性玻色气体中实验观测到物质波呼吸子。
• 在 aₛ = 0 时，测得的四极模式与质心模式频率之比为 ωQ/ωz = 1.67 ± 0.03，显著低于非相互作用体系的预测值 2。
• 在 aₛ = 0 时 ωQ/ωz 比值的差异可通过非零的排斥性三体相互作用（Re[g₃] = 1.23×10⁻²⁵ ℏ cm⁶ s⁻¹）得到定量解释。
• 只有当模拟中 Re[g₃] ≠ 0 时，才能准确重现 20 ms 自由膨胀过程中轴向与径向振荡之间 (0.24 ± 0.06)π 的异常相位差。
• 引入排斥性三体相互作用项可使凝聚体在大负 s 波散射长度下保持稳定，从而实现长寿命呼吸子的观测。
• 立方-五次格罗斯-皮塔耶夫斯基方程的能量面分析证实，当 aₛ = -20a₀ 时，Re[g₃] ≠ 0 是实现稳定不动点的必要条件，可有效防止塌缩。