[论文解读] Observation of Subdiffusive Dynamic Scaling in a Driven and Disordered Bose Gas.

Gevorg Martirosyan, Christopher J. Ho+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 57被引用 2

一句话总结

本研究在强驱动、弱无序的三维玻色气体中观测到亚扩散动态标度，其中能量随时间以 t₀.₅ₛ 的亚线性方式增长，这是由于能量空间中的随机游走所致。动量分布表现出普遍的、各向同性的压缩指数标度，与非无序系统中的混沌动力学形成对比。随着相互作用增强，系统平滑地过渡至波湍流，呈现幂律标度，揭示了驱动量子系统中非平衡态之间的连续转变。

ABSTRACT

We explore the dynamics of a tuneable box-trapped Bose gas under strong periodic forcing in the presence of weak disorder. In absence of interparticle interactions, the interplay of the drive and disorder results in an isotropic nonthermal momentum distribution that shows subdiffusive dynamic scaling, with sublinear energy growth and the universal scaling function captured well by a compressed exponential. We explain that this subdiffusion in momentum space can naturally be understood as a random walk in energy space. We also experimentally show that for increasing interaction strength, the gas behavior smoothly crosses over to wave turbulence characterized by a power-law momentum distribution, which opens new possibilities for systematic studies of the interplay of disorder and interactions in driven quantum systems.

研究动机与目标

• 研究强周期驱动、弱无序与相互作用在三维超冷玻色气体中的相互作用。
• 确定在这些条件下，非相互作用极限下是否会出现亚扩散动态标度。
• 探索随着相互作用强度增加，亚扩散动力学如何演变为波湍流。
• 检验动态标度在不同无序与驱动参数下的普遍性与鲁棒性。

提出的方法

• 通过磁场调控实现可调相互作用的三维盒势阱束缚的⁸⁹Rb玻色-爱因斯坦凝聚体的实验制备。
• 施加强周期性轴向力（F = (Us/L)cos(ωₛt)ẑ）以将系统驱动至远离平衡态。
• 通过可调激光功率引入弱光学无序，其强度与阱深 UD 成正比。
• 利用飞行时间成像测量二维动量分布 nk(kx, kz)，随后积分获得一维径向与轴向动量分布。
• 将动量分布拟合至压缩指数函数 fce = A₀ exp[−(kr/k₀)ᵏ]，以提取标度指数 α 与 β。
• 系统性地改变驱动频率 ωₛ、驱动强度 Us 与无序强度 Γd，以检验标度的鲁棒性并识别过渡区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在驱动、无序且非相互作用的玻色气体中，亚扩散动态标度是否会出现？其标度指数为何？
• RQ2 动量分布如何随时间演化？是否表现出普遍的、各向同性的标度？
• RQ3 能量空间中的随机游走在此类亚扩散动力学中起何作用？
• RQ4 随着相互作用强度增加，动态标度如何变化？是否导致向波湍流的连续过渡？
• RQ5 所观测到的动态标度在驱动频率、强度与无序强度变化下是否具有鲁棒性？

主要发现

• 非相互作用的驱动玻色气体表现出亚扩散能量增长，标度指数 β ≈ 0.24，对应能量随 t₀.₅ₛ 增长。
• 动量分布符合压缩指数分布，κ ≈ 2.9–3.0，表明其具有普遍性、各向同性且非平衡态的标度行为。
• 随着相互作用强度增加，系统平滑地从亚扩散标度过渡至波湍流，表现为幂律动量分布。
• 动态标度在广泛范围的驱动参数（ωₛ, Us）与无序强度（Γd）下保持鲁棒，标度指数一致，α/2 ≈ β ≈ 0.24–0.30，且 κ ≈ 2.2–3.0。
• 当 ωₛ ≈ ωz 时，亚扩散持续存在，但标度指数略有不同（β ≈ 0.30，κ ≈ 2.2），更接近高斯行为。
• 所观测到的动力学可由能量空间中的随机游走解释：无序使系统反复与驱动耦合，导致能量亚线性增长。