[论文解读] Splitting and recombination of bright-solitary-matter waves

Oliver J. Wales, Ana Rakonjac+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 49被引用 2

一句话总结

该论文通过使用窄的排斥性高斯势垒，实现了玻色-爱因斯坦凝聚体中亮孤子物质波的分裂与再结合，表明当势垒宽度接近孤子长度尺度时，干涉效应主导的再结合占主导地位，而非经典速度筛选效应。关键结果是再结合过程对实验参数表现出极端敏感性，凸显了孤子干涉仪在高精度测量中的潜力。

ABSTRACT

Solitons are long-lived wavepackets that propagate without dispersion and exist in a wide range of one-dimensional (1D) nonlinear systems. A Bose-Einstein condensate trapped in a quasi-1D waveguide can support bright-solitary-matter waves (3D analogues of solitons) when interatomic interactions are sufficiently attractive that they cancel dispersion. Solitary-matter waves are excellent candidates for a new generation of highly sensitive interferometers, as their non-dispersive nature allows them to acquire phase shifts for longer times than conventional matter-waves interferometers. However, such an interferometer is yet to be realised experimentally. In this work, we demonstrate the splitting and recombination of a bright-solitary-matter wave on a narrow repulsive barrier, which brings together the fundamental components of an interferometer. We show that both interference-mediated recombination and classical velocity filtering effects are important, but for a sufficiently narrow barrier interference-mediated recombination can dominate. We reveal the extreme sensitivity of interference-mediated recombination to the experimental parameters, highlighting the potential of soliton interferometry.

研究动机与目标

• 实验实现基于孤子的物质波干涉仪的基本组件：亮孤子物质波的分裂与再结合。
• 研究在势垒诱导分裂过程中，干涉效应主导的再结合与经典速度筛选效应之间的相互作用。
• 确定干涉效应占主导的条件，从而实现高灵敏度的干涉测量应用。
• 通过Gross-Pitaevskii方程模拟和近似解析模型验证实验结果。
• 探索利用亮孤子干涉仪实现长相位积累、非色散性干涉测量的可行性。

提出的方法

• 制备了具有吸引力s波相互作用的85Rb原子准一维玻色-爱因斯坦凝聚体，以支持亮孤子的形成。
• 使用蓝失谐、高度椭圆的激光束，创建可调宽度的排斥性高斯势垒（窄势垒宽度为3.6 ± 0.4 µm，宽势垒宽度为10.6 +0.5 −0.1 µm）。
• 采用破坏性吸收成像技术，在再结合后测量势垒两侧的原子数分数。
• 使用迭代双共轭梯度法对准一维Gross-Pitaevskii方程进行模拟，以建模孤子动力学。
• 在无量纲孤子单位下，发展了近似解析模型，用于估算再结合效率和干涉条纹。
• 对窄势垒采用δ函数势垒近似，将相位依赖的干涉效应纳入再结合振幅中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在孤子分裂与再结合过程中，干涉效应主导的再结合在何种条件下会超过经典速度筛选效应？
• RQ2 势垒宽度相对于孤子宽度的变化如何影响再结合效率和原子数分布？
• RQ3 孤子速度与相位相干性在决定分裂后再结合结果中起什么作用？
• RQ4 近似解析模型在多大程度上能准确预测干涉条纹图案和再结合效率？
• RQ5 实验参数（如势垒位置和孤子初始速度）如何影响再结合结果的敏感性？

主要发现

• 对于宽势垒（10.6 µm），经典速度筛选占主导，导致绝大多数原子在再结合后稳定返回原始左侧。
• 对于窄势垒（3.6 µm），干涉效应主导的再结合成为主导机制，导致原子数在两侧随机分布，具有单次实验间的涨落。
• 再结合结果对实验参数表现出极端敏感性，尤其是势垒偏移位置，这是由于相位依赖的干涉效应所致。
• 解析模型在较大参数范围内准确预测了条纹间距，并定性上与实验和模拟结果一致。
• 该模型在较宽势垒和较慢孤子速度条件下失效，此时经典效应占主导。
• 系统表现出超过20秒的孤子寿命，支持超过30次质心振荡和超过2厘米的总路径长度，为长相位积累干涉测量提供了支持。