Rotational properties of two-component ultracold bosonic atoms in the fractional quantum Hall regime: Towards an atom laser
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0046492Ключові слова:
rapidly rotating gas, fractional quantum Hall effect, composite fermion, 2D ultracold bosonic atoms, atom laserАнотація
Виникнення макроскопічної квантової когерентності проявляється через конденсацію Бозе–Ейнштейна (BEC), яка вперше була виявлена в надплинному гелії, а пізніше реалізована в ультрахолодних атомних газах як слабо взаємодіючій квантовій рідині. Досліджено обертальні властивості двокомпонентної ультрахолодної бозонної суміші з однорідними та неоднорідними взаємодіями у фракційному квантовому режимі Холла (FQH), де сильні ефективні магнітні поля або швидке обертання переводять систему в сильно корельований квантовий рідкий стан. Ультрахолодні атомні гази є універсальною експериментальною платформою для реалізації та перевірки прогнозів підходу композитних ферміонів, поєднуючи фізику конденсованої речовини з атомною фізикою на основі спільної концепції слабо взаємодіючих квантових рідин, що виникають із сильних кореляцій. Атомний лазер на основі квантової інтерференції в двокомпонентному BEC є науково оригінальним та технологічно перспективним, що є продовженням нещодавніх досягнень у галузі багатовидових конденсатів. У цій роботі досліджено можливість реалізації атомного лазера на основі ультрахолодних бінарних атомних газів завдяки їхнім обертальним властивостям у режимі FQH, де контрольоване випромінювання квазідірок або хвиль когерентної матерії з корельованого стану забезпечує новий шлях до створення надійного, топологічно захищеного атомного лазера.
Посилання
1. T. H. Maiman, “Stimulated optical radiation in ruby,” Nature 187, 493 (1960).https://doi.org/10.1038/187493a0
2. O. Mewes, M. R. Andrews, D. M. Kurn, D. S. Durfee, C. G. Townsend, and W. Ketterle, “Output coupler for bose–einstein condensed atoms,” Phys. Rev. Lett. 78, 582 (1997).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.582
3. X. Qin et al, “Switchable Faraday laser with frequencies of 85Rb and 87Rb 780 nm transitions using a single isotope 87Rb Faraday atomic filter,” Appl. Phys. Lett. 124, 161104 (2024).https://doi.org/10.1063/5.0200815
4. C. Diboune, N. Zahzam, Y. Bidel, M. Cadoret, and A. Bresson, “Multi-line fiber laser system for cesium and rubidium atom interferometry,” Optics Express 25, 16898 (2017).https://doi.org/10.1364/OE.25.016898
5. S. Kasahara, T. Ebi, M. Tanimura, H. Ikoma, K. Matsubara, M. Baba, and H. Katô, “High-resolution laser spectroscopy of the X1Σ+ and (1)3Σ+ states of 23Na85Rb molecule,” J. Chem. Phys. 105, 1341 (1996).https://doi.org/10.1063/1.472000
6. K. Kasamatsu, M. Tsubota, and M. Ueda, “Vortices in multicomponent bose–einstein condensates,” Int. J. Mod. Phys. B 19, 1835 (2005).https://doi.org/10.1142/S0217979205029602
7. S. Viefers, T. H. Hansson, and S. M. Reimann, “Bose condensates at high angular momenta,” Phys. Rev. A 62, 053604 (2000).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.62.053604
8. M. N. Korslund, and S. Viefers, “Composite-fermion description of rotating bose gases at low angular momenta,” Phys. Rev. A 73, 063602 (2006).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.73.063602
9. S. Viefers, and M. Taillefumier, “Asymptotically exact trial wave functions for yrast states of rotating bose gases,” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43, 155302 (2010).https://doi.org/10.1088/0953-4075/43/15/155302
10. N. Regnault, C. C. Chang, Th. Jolicoeur, and J. K. Jain, “Composite fermion theory of rapidly rotating two-dimensional bosons,” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39, 89 (2006).https://doi.org/10.1088/0953-4075/39/10/S09
11. J. K. Jain, Composite Fermions (Cambridge University Press, 2009).
12. G. Modugno, M. Modugno, F. Riboli, G. Roati, and M. Inguscio, “Two atomic species superfluid,” Phys. Rev. Lett. 89, 190404 (2002).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.190404
13. M. L. Meyer, G. J. Sreejith, and S. Viefers, “Rotational properties of two-component bose gases in the lowest landau level,” Phys. Rev. A 89, 043625 (2014).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.89.043625
14. O. Ciftja, “Finite clusters of fast-rotating spinless bosons in a harmonic trap,” J. Phys. Chem. Solids 75, 931 (2014).https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2014.03.011
15. N. R. Cooper, Fractional Quantum Hall Effects: New Developments, edited by B. I. Halperin and J. K. Jain (World Scientific, New York, 2020), p. 487.
16. N. Gemelke, E. Sarajlic, and S. Chu, Rotating few-body atomic systems in the fractional quantum Hall regime, arXiv:1007.2677v1 [cond-mat.quant-gas] (2010).
17. T. Papenbrock, S. M. Reimann, and G. M. Kavoulakis, “Condensates of p-wave pairs are exact solutions for rotating two-component bose gases,” Phys. Rev. Lett. 108, 075305 (2012).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.075304
18. T. Papenbrock, and G. F. Bertsch, “Exact solutions for interacting boson systems under rotation,” J. Phys. A: Mathematical and General 34, 603 (2001).https://doi.org/10.1088/0305-4470/34/3/318
19. M. A. Ammar, “Results for particular cases of v = 1/2 states of FQHE in disk geometry,” Few-Body Syst. 63, 5 (2022).https://doi.org/10.1007/s00601-021-01711-3
20. M. A. Ammar, and S. Boucherf, “Fractional quantum Hall effect of a rapidly rotating gas of ultracold bosonic atoms,” Low Temp. Phys. 50, 519 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 578 (2024)].https://doi.org/10.1063/10.0026246
21. J. K. Jain, “Composite-fermion approach for the fractional quantum Hall effect,” Phys. Rev. Lett. 63, 199 (1989).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.63.199
22. B. I. Halperin, “Theory of the quantized Hall conductance,” Helv. Phys. Acta. 56, 75 (1983).
23. R. B. Laughlin, “Anomalous quantum Hall effect: An incompressible quantum fluid with fractionally charged excitations,” Phys. Rev. Lett. 50, 1395 (1983).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.50.1395
24. S. Dong et al, “Observation of broad p-wave feshbach resonances in ultracold 85Rb–87Rb mixtures,” Phys. Rev. A 94, 062702 (2016).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.062702
25. J. P. Burke et al, “Prospects for mixed-isotope bose–einstein condensates in rubidium,” Phys. Rev. Lett. 80, 2097 (1998).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.2097
26. F. Wang, D. Xiong, X. Li, and D. Wang, “Observation of feshbach resonances between ultracold Na and Rb atoms,” Phys. Rev. A 87, 050702 (2013).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.87.050702
27. H.-W. Cho, D. J. McCarron, M. P. Köppinger et al, “Feshbach spectroscopy of an ultracold mixture of 85Rb and 133Cs,” Phys. Rev. A 87, 010703 (2013).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.87.010703
28. Z. Li, T. Gong, Z. Ji et al, “Dynamical process of optically trapped singlet ground state 85Rb133Cs molecules produced via short-range photoassociation,” Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 4893 (2018).https://doi.org/10.1039/C7CP07756D
29. Z. Li, S. Singh, T. V. Tscherbul, and K. W. Madison, “Feshbach resonances in ultracold 85Rb-87Rb and 6Li-87Rb mixtures,” Phys. Rev. A 78, 022710 (2008).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.78.022710
30. T. Papenbrock, and G. F. Bertsch, “Rotational spectra of weakly interacting bose–einstein condensates,” Phys. Rev. A 63, 023616 (2001).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.63.023616
31. S. Bargi, J. Christensson, G. M. Kavoulakis, and S. M. Reimann, “Mixtures of bose gases under rotation,” Phys. Rev. Lett. 98, 130403 (2007).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.130403
32. M. L. Meyer, Rotational Properties of Two-Component Bose Gases (Master of Science, University of Oslo, 2013).
33. M. Elsen, B. Piest, F. Adam et al, “A dual-species atom interferometer payload for operation on sounding rockets,” Microgravity Sci. Technol. 35, 48 (2023).https://doi.org/10.1007/s12217-023-10068-7
34. C. C. N. Kuhn, G. D. McDonald, K. S. Hardman, S. Bennetts, P. J. Everitt, P. A. Altin, J. E. Debs, J. D. Close, and N. P. Robins, “A bose-condensed, simultaneous dual species mach-zehnder atom interferometer,” New J. Phys. 16, 073035 (2014).https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/7/073035
