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4. Quartal 2016 - Inflationary quasiparticle creation and thermalization in oscillating Bose-Einstein condensates

4. Quartal 2016 - Inflationary quasiparticle creation and thermalization in oscillating Bose-Einstein condensates

Anna Posazhennikova, Mauricio Trujillo-Martinez, and Johann Kroha, Phys. Rev. Lett. 116, 225304 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.225304

Wenn die Atome eines Bose-Einstein-Kondensats in einem Doppelmuldenpotential eingefangen sind, können sie quantenkohärente Oszillationen zwischen den beiden Potentialtöpfen ausführen, so genannte Josephson-Oszillationen. Ob und wie ein solches Quantensystem von diesem Nichtgleichgewichtszustand schließlich ins thermische Gleichgewicht kommen kann, ist ein fundamentales Problem, weil das atomare Gas ideal von seiner Umgebung isoliert ist und kein Energieaustausch mit der Umgebung möglich ist.

In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Thermalisierung dadurch erfolgt, dass aus dem quantenkohärenten, oszillierenden Bose-Einstein-Kondensat einzelne Atome, so genannte Quasiteilchen, angeregt werden. Die Wolke dieser Quasiteilchen thermalisiert dann, indem sie Energie und Teilchen mit dem Kondensat austauscht und dabei die entanglement-Entropie maximiert (d.h. die Entropie, welche mit der Verschränkung der Quasiteilchenzuständemit dem Kondensat-Zustand zusammenhängt). Dieser Prozess zeigt eine sehr komplexe Dynamik, die durch dreiverschiedene Zeitskalen charakterisiert ist: (I) eine anfängliche Periode ungedämpfter Josephson-Oszillationen, (II) eine Periode lawinenartiger Quasiteilchenerzeugung aufgrund einer dynamisch erzeugten, parametrischen Resonanz und (III) ein Regime langsamer Relaxation des Quasiteilchen-Gasesins thermische Gleichgewicht.

Das Bild zeigt die zeitabhängige Population der ersten fünf Quasiteilchen-Niveaus sowie die gesamte Quasiteilchendichte. Diese Dynamik birgt Analogien zur Erzeugung von Elementarteilchen im frühen Universum während dessen inflationärer Phase und der darauf folgenden Wiedererwärmungsphase.


 

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