[论文解读] Quantum Cherenkov transition of finite momentum Bose polarons

Kushal Seetharam, Yulia E. Shchadilova+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 8

一句话总结

本文研究了在吸引相互作用淬火后，有限动量杂质在三维玻色-爱因斯坦凝聚体中的非平衡动力学，揭示了与相互作用强度相关的临界速度下的量子切伦科夫跃迁。通过时间依赖变分方法，作者识别出Loschmidt回声和杂质速度的急剧转变，其特征为有限动量基态中群速度对总动量依赖性的丧失，该转变可通过飞行时间测量、射频光谱学和拉姆齐干涉测量法实验观测。

ABSTRACT

We investigate the behavior of a finite-momentum impurity immersed in a weakly interacting three-dimensional Bose-Einstein condensate (BEC) of ultra-cold atoms, giving a detailed account of the dynamical quantum Cherenkov transition discussed in Ref. [arXiv:2101.00030]. Using a time-dependent variational approach, we identify a transition in the far-from-equilibrium dynamics of the system after the attractive short-range impurity-boson interaction is quenched on. The transition occurs as the impurity's velocity crosses an interaction-dependent critical value, and manifests in the long-time behavior of the Loschmidt echo and average impurity velocity. This behavior is also reflected in the finite momentum ground state of the system, where the group velocity of the interaction-dressed impurity loses it's dependence on the total momentum of the system as the critical point is crossed. The transition we discuss should be experimentally observable via a variety of common protocols in ultracold atomic systems such as time-of-flight imaging, RF spectroscopy, Ramsey interferometry, and absorption imaging.

研究动机与目标

• 理解在淬火至吸引相互作用后，弱相互作用三维玻色-爱因斯坦凝聚体中有限动量杂质的非平衡动力学。
• 识别系统非平衡行为中一种新颖的量子切伦科夫跃迁，其类比于切伦科夫辐射，但存在于量子极化子背景中。
• 通过Loschmidt回声和平均杂质速度表征该跃迁，将其与屏蔽极化子的群速度联系起来。
• 证明该跃迁可通过标准超冷原子技术（如飞行时间成像、射频光谱学和拉姆齐干涉测量）实验可观测。

提出的方法

• 采用时间依赖变分方法研究杂质-BEC系统从非相互作用哈密顿量到相互作用哈密顿量淬火后的动力学。
• 计算Loschmidt回声作为初始态返回振幅的度量，其渐近行为与准粒子权重相关。
• 分析有限动量基态以提取相互作用屏蔽杂质的群速度，发现在临界点处其对总动量的依赖性消失。
• 通过有限动量基态能量的二阶导数的不连续性，数值提取临界动量。
• 将动力学与费米黄金法则预测结果比较，以验证变分方法，特别是在弱耦合区域。
• 跟踪时间演化过程中的声子动量分布，以确认相空间结构的出现，与切伦科夫样发射一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限动量玻色极化子的非平衡动力学中，何时发生杂质速度的临界跃迁？
• RQ2 在临界速度前后，相互作用屏蔽杂质的群速度如何依赖于系统的总动量？
• RQ3 相互作用强度在决定量子切伦科夫跃迁的临界动量中起什么作用？
• RQ4 Loschmidt回声和平均杂质速度如何随时间演化？它们揭示了跃迁的哪些信息？
• RQ5 哪些标准超冷原子协议可用于实验检测量子切伦科夫跃迁？

主要发现

• 当杂质速度超过与相互作用强度相关的临界值时，发生量子切伦科夫跃迁，其特征为有限动量基态能量二阶导数的不连续性。
• Loschmidt回声在无限时间下趋于准粒子权重，但其时间演化在临界速度处表现出急剧转变。
• 平均杂质速度在临界点处表现出衰减动力学的显著变化，表明从亚声速到切伦科夫样发射的转变。
• 在有限动量基态中，屏蔽杂质的群速度在临界点处失去对总动量的依赖性，表明准粒子性质的根本改变。
• 该跃迁可通过超冷原子系统中的飞行时间成像、射频光谱学、拉姆齐干涉测量和吸收成像实验可观测。
• 声子发射模式随时间演化，长波长声子仅在足够长时间后才变得可及，与费米黄金法则和切伦科夫样发射一致。