[论文解读] Properties of a dipolar condensate with three-body interactions

Peter Blakie|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本文研究了具有排斥性三体相互作用（TBI）的谐振子势阱中偶极玻色-爱因斯坦凝聚体，展示了常规凝聚态与自相干液滴态之间的一级相变。通过变分模型和完整数值模拟，表明通过动态调节阱势可选择性地产生单个液滴，而液滴晶体则源于跨相变的非绝热淬火过程。

ABSTRACT

We obtain the phase diagram for a harmonically trapped dilute dipolar condensate with a short ranged conservative three-body interaction. We show that this system supports two distinct fluid states: a usual condensate state and a self-cohering droplet state. We develop a simple model to quantify the energetics of these states, which we verify with full numerical calculations. Based on our simple model we develop a phase diagram showing that there is a first order phase transition between the states. Using dynamical simulations we explore the phase transition dynamics, revealing that the droplet crystal observed in previous work is an excited state that arises from heating as the system crosses the phase transition. Utilising our phase diagram we show it is feasible to produce a single droplet by dynamically adjusting the confining potential.

研究动机与目标

• 理解具有短程排斥性三体相互作用（TBI）的稀薄偶极凝聚体的基态性质。
• 确定TBI是否能通过抵消偶极-偶极吸引导致的塌缩，稳定高密度液滴态。
• 绘制系统的相图，并确定低密度态与高密度态之间相变的本质。
• 探索通过改变淬火协议，实现单个液滴或液滴晶体的动态路径。
• 评估通过绝热调控阱势实现孤立液滴的实验可行性。

提出的方法

• 系统采用包含偶极-偶极相互作用（DDI）、s波接触相互作用及排斥性三体相互作用（TBI）项的时间依赖Gross-Pitaevskii方程（GPE）进行建模。
• 构建变分模型以解析量化凝聚体与液滴态的能量特性，从而实现相图的构建。
• 采用四阶龙格-库塔法在三维网格上进行全数值模拟，并使用牛顿-Krylov求解器准备初始态。
• 通过截断Wigner方法在单粒子表象中引入初始量子涨落与热涨落，以触发液滴形成。
• 通过随时间调节s波散射长度与阱轴比，实施动力学淬火协议，以穿越相变点。
• 模拟了两种不同的淬火路径：线性路径与正弦路径，后者同时引入横向阱调制以避免临界慢化。

实验结果

研究问题

• RQ1 排斥性三体相互作用是否能稳定偶极凝聚体中以偶极-偶极吸引为主导的自相干液滴态？
• RQ2 常规凝聚态与液滴态之间的相变成质为何种类型？
• RQ3 能否通过调节阱势动态产生单个液滴，其条件为何？
• RQ4 为何先前模拟中会出现液滴晶体？其为平衡态还是激发态？
• RQ5 量子涨落与热涨落如何影响非绝热淬火过程中液滴形成的动力学？

主要发现

• 该系统表现出两种截然不同的流体基态：低密度凝聚态与高密度自相干液滴态，其稳定性源于偶极-偶极吸引与排斥性三体相互作用之间的平衡。
• 这两种态之间的相变为一级相变，该结论由变分模型确认，并通过全数值模拟得到验证。
• 先前模拟中观察到的液滴晶体被识别为非绝热淬火穿越相变点所导致的激发态，而非基态。
• 通过避开临界点的路径，系统可被绝热驱动至基态，从而实现单个液滴的制备。
• 变分模型对能量特性的描述具有定量准确性，并在不同参数区域下均表现出鲁棒性。
• 模拟表明，采用适当的淬火协议——尤其是包含正弦阱调制的路径2——可可靠地产生单个液滴，而路径1则导致晶体形成。