[论文解读] The Dicke Quantum Phase Transition in a Superfluid Gas Coupled to an Optical Cavity

Kristian Baumann, Christine Guerlin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

该论文在与光腔耦合的玻色-爱斯坦凝聚体中实现了Dicke量子相变，通过双光子过程诱导的无限长程原子相互作用，实现了自组织超固态相。该相变由包含反旋耦合项的Dicke哈密顿量定量描述，并通过对称性破缺和相边界测绘得到证实。

ABSTRACT

A phase transition describes the sudden change of state in a physical system, such as the transition between a fluid and a solid. Quantum gases provide the opportunity to establish a direct link between experiment and generic models which capture the underlying physics. A fundamental concept to describe the collective matter-light interaction is the Dicke model which has been predicted to show an intriguing quantum phase transition. Here we realize the Dicke quantum phase transition in an open system formed by a Bose-Einstein condensate coupled to an optical cavity, and observe the emergence of a self-organized supersolid phase. The phase transition is driven by infinitely long-ranged interactions between the condensed atoms. These are induced by two-photon processes involving the cavity mode and a pump field. We show that the phase transition is described by the Dicke Hamiltonian, including counter-rotating coupling terms, and that the supersolid phase is associated with a spontaneously broken spatial symmetry. The boundary of the phase transition is mapped out in quantitative agreement with the Dicke model. The work opens the field of quantum gases with long-ranged interactions, and provides access to novel quantum phases.

研究动机与目标

• 在具有长程相互作用的受控超冷原子系统中观测Dicke量子相变。
• 在多体系统中建立Dicke模型与量子相变之间的直接实验关联。
• 研究通过光腔耦合的玻色-爱斯坦凝聚体中自发空间对称性破缺所导致的超固态相的出现。
• 绘制相变边界并与包含反旋耦合项的Dicke哈密顿量的理论预测进行定量比较。

提出的方法

• 通过涉及泵浦场的双光子过程，将玻色-爱斯坦凝聚体与光腔模式耦合，诱导长程相互作用。
• 将系统驱动至由Dicke哈密顿量主导动力学的区域，包括反旋耦合项。
• 通过工程化集体物质-光相互作用，在开放量子系统中实现Dicke模型。
• 通过测量原子云的密度和动量分布，探测空间对称性破缺。
• 通过调节泵浦拉比频率和腔体失谐，绘制相变边界。
• 将实验测得的相边界与包含反旋耦合项的Dicke模型的理论预测进行定量比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超流气体与光腔耦合的有限开放量子系统中实现Dicke量子相变？
• RQ2 反旋耦合项在该系统中超固态相的出现中起到何种作用？
• RQ3 双光子过程如何在凝聚体中的原子之间产生无限长程相互作用？
• RQ4 所观测到的相边界与Dicke哈密顿量的预测在多大程度上一致？
• RQ5 超固态相是否由连续空间对称性的自发破缺所表征？

主要发现

• 在与光腔耦合的玻色-爱斯坦凝聚体中实验实现了Dicke量子相变，证实了在具有长程相互作用的多体系统中该相变的存在。
• 该系统表现出一种自组织超固态相，其特征为超流性与周期性密度序共存。
• 相变由涉及腔模和泵浦场的双光子过程诱导的无限长程相互作用驱动。
• 所观测到的相边界与包含反旋耦合项的Dicke哈密顿量的预测具有定量一致性。
• 超固态相与空间对称性的自发破缺相关，这通过原子云中周期性密度调制的形成得到证实。
• 该实验实现为研究具有长程相互作用的量子相提供了平台，拓展了超冷原子物理的研究范围。