[论文解读] Production of strongly bound 39K bright solitons

S Lepoutre, L Fouché+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本文通过在501.3 G处的Feshbach共振实现了39K物质波亮孤子的强束缚态制备，接近塌缩阈值时峰值密度达到5×10²⁰ m⁻³。通过在504.4 G处的零交叉点调节散射长度并测量三体损失，作者提取出三体损失系数K₃ = 1.5(6)×10⁻⁴¹ m⁶·s⁻¹，证实了强相互作用——相互作用能超过动能，从而在高密度孤子中实现集体行为。

ABSTRACT

We report on the production of 39 K matter-wave bright solitons, i.e., 1D matter-waves that propagate without dispersion thanks to attractive interactions. The volume of the soliton is studied as a function of the scattering length through three-body losses, revealing peak densities as high as $\sim 5 imes 10^{20} m^{-3}$. Our solitons, close to the collapse threshold, are strongly bound and will find applications in fundamental physics and atom interferometry.

研究动机与目标

• 通过Feshbach共振调制，在接近塌缩阈值处制备强束缚的39K物质波亮孤子。
• 测量散射长度函数依赖的三体损失，以推断三体损失系数K₃。
• 表征孤子的尺寸、密度以及相互作用能与动能之间的能量平衡。
• 建立一个用于研究高密度、吸引性一维量子气体中多体量子效应的平台。
• 为未来在原子干涉测量和强关联体系量子模拟中的应用铺平道路。

提出的方法

• 利用灰色摩拉斯冷却和在550 G处的Feshbach共振翼区进行蒸发冷却，实现全光制备39K玻色-爱因斯坦凝聚体。
• 采用1064 nm（径向）和1550 nm（轴向）的远共振光学双阱势，形成拉长的阱，频率为195 Hz × 195 Hz × 44 Hz。
• 通过两步磁质场升压：从550 G升至507 G，再升至501.3 G，将散射长度调制至a = -1.5(2) a₀，通过吸引力诱导孤子形成。
• 利用飞行时间成像测量孤子密度分布，并以20 ms间隔追踪其200 ms内的传播行为。
• 将测得的三体损失速率与基于高斯波函数试探波函数的变分平均场模型拟合，以提取K₃。
• 通过系统不确定性纳入误差条，对原子数和阱参数进行校准，以确保损失率测量的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Feshbach共振零交叉点附近，39K亮孤子的三体损失系数K₃是多少？
• RQ2 39K亮孤子在塌缩前可达到多高的密度？实际实现的峰值密度是多少？
• RQ3 孤子的相互作用能何时超过其质心动能？
• RQ4 假设K₃为常数的简单平均场模型是否能解释散射长度变化下观测到的损失率变化？
• RQ5 在高密度、吸引性一维量子气体中，何种条件可实现集体行为？

主要发现

• 测得三体损失系数K₃为1.5(6)×10⁻⁴¹ m⁶·s⁻¹，与钾原子的非共振三体损失预期一致。
• 孤子峰值密度达到约5×10²⁰ m⁻³，对应于Gross-Pitaevskii框架中每粒子相互作用能为30 Hz。
• 每粒子相互作用能（30 Hz）显著超过质心动能（≈1 Hz），表明系统处于强相互作用区域。
• 观测到的三体损失速率随散射长度强烈变化，且能被假设K₃为常数的平均场模型良好描述，验证了主导损失机制。
• 在高|a|值处与理论曲线的偏离表明，靠近Feshbach共振时K₃可能增加，可能由于增强了的非弹性过程。
• 该系统已进入原子在孤子中预期表现出集体行为的区域，为研究多体动力学与量子干涉提供了可能。