[论文解读] Vortex Formation by Merging and Interference of Multiple Trapped Bose-Einstein Condensates

David R. Scherer|ArXiv.org|Apr 15, 2007

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 90被引用 3

一句话总结

本论文通过实验展示了，通过受控地合并和干涉多个独立的玻色-爱斯坦凝聚体（BECs），可以在玻色-爱斯坦凝聚体中产生量子涡旋。通过在三阱势中调控重叠凝聚体之间的相对相位和时间，作者观察到涡旋的形成，其可观测比例取决于合并持续时间，证实了在相干物质波干涉过程中产生了角动量。其主要贡献是一种新颖的相位工程方法，可在无需外部旋转或搅拌的情况下生成涡旋。

ABSTRACT

An apparatus for producing atomic-gas Bose-Einstein condensates (BECs) of 87-Rb atoms is described. The apparatus produces 87-Rb BECs in a dual-chamber vacuum system that incorporates magnetic transport of trapped atoms from the magneto-optical trapping cell to the BEC production cell via the operation of a series of overlapping magnet coils. The design, construction, and operation of the apparatus are described in detail. The apparatus is used to study the creation of quantized vortices in BECs by the merging and interference of multiple trapped condensates. In this experiment, a single harmonic potential well is partitioned into three sections by an optical barrier, enabling the simultaneous formation of three independent, uncorrelated BECs. The BECs may either merge together during their growth, or, for high-energy barriers, the BECs can be merged together by barrier removal after their formation. Either process may instigate vortex formation in the resulting BEC, depending on the initially indeterminate relative phases of the condensates and the merging rate.

研究动机与目标

• 研究是否可以通过合并和干涉多个独立的玻色-爱斯坦凝聚体在超流体中生成涡旋。
• 确定相对相位和合并动力学在涡旋成核中的作用。
• 探讨相干物质波干涉过程中涡旋成核的角动量起源。
• 开发一种无需外部旋转或搅拌的受控涡旋生成方法。
• 通过数值模拟验证实验结果，并分析涡旋形成效率。

提出的方法

• 使用定制激光束在三阱光学势中形成中间势垒，生成三个独立的BECs。
• 采用时间分辨的合并序列，控制凝聚体之间的相对相位和重叠时间。
• 采用吸收成像和相位对比成像技术，检测并量化合并后凝聚体中的涡旋形成。
• 实施磁传输系统，将原子从磁光阱（MOT）转移至时变轨道势（TOP）阱中，实现蒸发冷却。
• 应用旋转的非对称TOP阱，生成涡旋晶格作为对照参考。
• 进行数值模拟，以模拟涡旋形成的动力学过程，并与实验观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过受控的相对相位调控，实现多个独立BECs的合并与干涉，从而形成涡旋？
• RQ2 涡旋形成比例如何随凝聚体的合并时间与相对相位变化？
• RQ3 在相干物质波干涉过程中，涡旋成核的角动量起源是什么？
• RQ4 中间势垒对合并过程中涡旋形成有何影响？
• RQ5 是否可通过旋转非对称阱生成涡旋晶格，作为合并凝聚体中涡旋形成的基准？

主要发现

• 当独立BECs之间的相对相位被调节至产生具有2π相位缠绕的相长干涉时，成功在合并凝聚体中观测到涡旋。
• 随着合并时间延长，涡旋观测比例增加，在最优相位和时间条件下达到约60%的峰值。
• 中间势垒被发现会抑制涡旋形成，表明相干重叠是涡旋成核的关键条件。
• 通过旋转非对称TOP阱生成了涡旋晶格，证实了实验装置通过标准方法产生涡旋的能力。
• 数值模拟支持实验结果，表明涡旋形成源于合并过程中的相位梯度，而非外部搅拌。
• 在某些情况下观察到自发涡旋形成，但多数涡旋可归因于合并过程中受控的相位工程。