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弱相互作用玻色气体中的突发泡利阻塞

费德里卡·加泰罗迪尼、弗雷德里克·莫勒、穆罕默德·塔吉克、若昂·萨比诺、西孔吉、伊戈尔·马泽茨、托马斯·施韦格勒、伯恩哈德·劳尔和约格·施密德迈耶
物理学。修订版X12,041032–2022年12月22日出版

摘要

多体相互作用和维度之间的关系是众多涌现量子现象的组成部分。一个引人注目的例子是玻色气体,它被限制在一维(1D)时遵循无限组守恒定律,禁止热化和约束动力学。在我们的实验中,我们证明了这种一维行为可以比预期的更深入地扩展到三维的维度交叉。从被困在高度拉长势中的弱相互作用玻色气体开始,我们进行猝灭以激发单密度模式的动力学。利用广义流体力学理论,我们确定了主要的弛豫机制为系统相关集体激发的1D失相,即快度。令人惊讶的是,即使温度远远超过一维的传统极限,退相仍占主导地位,此时应发生热化。尽管气体是纯玻色的,但我们将我们的观察归因于由费米子统计的快速性引起的横向激发的突然泡利阻塞。因此,我们的研究表明,一维物理比以前认为的更脆弱,因为它甚至可以在存在显著扰动的情况下持续存在。更广泛地说,通过使用多体系统的精确Bethe-ansatz解,我们有助于解释宏观行为是如何从微观相互作用中产生的。

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  • 收到日期:2022年6月24日
  • 2022年11月15日接受

内政部:https://doi.org/10.103/PhysRevX.12.041032

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美国物理学会出版

物理学科标题(PhySH)

凝聚态物质、材料与应用物理学统计物理与热力学

作者和附属机构

费德里卡·加泰罗迪尼1,*,弗雷德里克·默勒1,*,穆罕默德·塔吉克1,若昂·萨比诺1,2,3,四公集1,Igor Mazets公司1,4,5,托马斯·施韦格勒1,6,伯恩哈德·劳尔1,7、和约格·施密德迈耶1

  • 1奥地利维也纳1020,TU Wien,Atominstitut,维也纳量子科学与技术中心(VCQ)
  • 2葡萄牙里斯本里斯本,里斯本大学高级技术学院,1049-001
  • 葡萄牙里斯本电信研究所,信息物理和量子技术集团,1049-001
  • 4研究平台MMM“数学-磁学-材料”,c/o Fakultät für Mathematik,Universityät Wien,1090 Vienna,Austria
  • 5奥地利维也纳1090 Wien大学Fakultät für Mathematik转交的Wolfgang Pauli学院
  • 6JILA,科罗拉多大学,美国科罗拉多州博尔德80309
  • 7卡斯特勒·布鲁塞尔实验室,法国巴黎,巴黎,巴黎,巴黎75005,巴黎,巴黎,巴黎,巴黎

  • *这些作者对这项工作贡献均等。

热门摘要

具有降维的多体量子系统通常表现出与3D系统截然不同的特性。例如,将原子限制在单线或一维上,会导致原子的强关联运动。由此产生的集体激发是准粒子,其性质可能与原子显著不同;在玻色气体中,由于一维相互作用产生的关联效应阻止了两个集体激发占据相同的量子态。这种强加的泡利排斥导致一维量子玻色气体的有效费米化,即使原子间排斥较弱;只有在极强的排斥作用下,3D中才会发生类似的费米化现象。在我们的实验中,我们表明,这些理论概念即使在实际系统中也具有深远的影响,而实际系统通常只有大约1D。

我们在磁阱中的严格横向约束下制备了弱相互作用铷原子的玻色气体。接下来,我们扰动系统以启动动力学,并通过测量原子密度来监测其弛豫。通过调节温度,我们可以探测一部分不可忽略的原子具有足够高的能量来引起横向激发的状态。即使在这种情况下,系统也会缓慢放松,远远超出一维的传统极限,这与量子玻色气体有效费米化的一维物理相一致。我们的观察结果表明,激发出现泡利阻塞,我们的系统有效地保持一维。

我们证明,在一维系统中,玻色子微观多体相互作用产生的宏观行为可能具有费米子特性,从而导致令人惊讶的结果。我们的方法可以推广到许多其他低维量子多体系统。

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第12卷,第。2022年10月至12月

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