DOI: https://doi.org/10.1103/xb42-j6px
تاريخ النشر: 2026-03-02
المؤلف: Lennart Koehn وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء الذرات الباردة وتكثيف بوز-أينشتاين
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير الإمكانيات المضطربة على النقل والتماسك في الأنظمة الكمومية، مع التركيز بشكل خاص على مرحلة زجاج بوز في الأنظمة البوزونية المتفاعلة. يستخدم المؤلفون تداخل تالبت جنبًا إلى جنب مع الكشف عن الذرات الفردية في ميكروسكوب الغاز الكمومي لتحديد مرحلة زجاج بوز تجريبيًا في شبكة ثنائية الأبعاد مع اضطراب قابل للتحكم. يقيسون التماسك من خلال توزيعات الكثافة في الموقع، وتقلبات عدد الجسيمات باستخدام معامل إدواردز-أندرسون، ورؤية أنماط التداخل بعد زمن الطيران. تكشف النتائج عن انتقال من تماسك بعيد المدى إلى تماسك قصير المدى مع انتقال النظام عبر انتقال السائل الفائق إلى زجاج بوز، مع ديناميات غير إرغودية ملحوظة تشير إلى أن الانتقالات داخل وخارج زجاج بوز غير أديباتيكية ضمن الأطر الزمنية التجريبية.
تخلص الدراسة إلى أن التعرف التجريبي على مرحلة زجاج بوز عبر قوى التفاعل المتنوعة يوفر أساسًا لمزيد من الاستكشاف للأنظمة المضطربة. يقترح المؤلفون أن الأبحاث المستقبلية يمكن أن تحقق في آثار الاضطراب في هندسات الشبكة المختلفة والأبعاد، بالإضافة إلى استقرار التوطين متعدد الجسيمات والانهيارات الكمومية. كما يسلطون الضوء على الإمكانية لاضطراب قابل للتحكم لتعزيز فهم الإحباط ومرحلة زجاج الدوران في نموذج فيرمي-هوبارد. من خلال توسيع أحجام الأنظمة، تهدف الدراسة إلى تعميق الرؤى حول طبيعة التوطين متعدد الجسيمات وزجاج بوز، لا سيما من خلال تحقيق التمديد ثنائي الأبعاد لنموذج أوبري-أندريه.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعدادهم التجريبي الذي يتضمن ذرات $^{87}$Rb شديدة البرودة محصورة في شبكة بصرية عمودية بطول موجة $\lambda = 1064 \, \text{nm}$ وعمق $V_z = 25 E_r$، حيث يمثل $E_r = \frac{h^2}{2m\lambda^2}$ طاقة الارتداد للذرات. بعد التبريد بالتبخر، يتم تحقيق حالة سائلة فائقة تتكون من حوالي 200 ذرة في شبكات أفقية ضحلة بعمق $V_x = V_y \approx 10 E_r$. يتم تعديل نسبة التفاعل إلى الطاقة الحركية، $U/J$، عن طريق ضبط أعماق الشبكة في الاتجاه الأفقي. يتم قياس إشغال المواقع في الموقع باستخدام تصوير الفلورسنت، مما يكشف عن قطر سحابة يبلغ حوالي 16 موقعًا، مع درجات حرارة نموذجية حول $k_B T \approx 0.1 U$، تم تحديدها من خلال التناسب الشعاعي في حالة عازلة موت.
لإدخال الاضطراب في النظام، يستخدم المؤلفون ليزرًا مزاحًا أزرق يتم إسقاطه على جهاز مرآة ميكروية رقمية (DMD)، مما يخلق إمكانيات ضوئية طاردة بأحجام عشوائية في كل موقع من مواقع الشبكة، وفقًا لتوزيع صندوق موحد. تتناقض هذه الطريقة مع الطرق التقليدية التي تستخدم أنماط النقاط أو الإمكانيات شبه العشوائية في تجارب الذرات شديدة البرودة. يسمح DMD بإنشاء أنماط اضطراب قابلة للتكرار مع الحفاظ على محاذاة الطور مع الشبكات الأفقية، مما يعالج مشكلات الانجراف المحتملة مع مرور الوقت.
مناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون نموذج بوز-هوبارد المضطرب، الذي يتميز بهاملتونيان يتضمن قوة النفق، وطاقة التفاعل في الموقع، وتحولات الطاقة المحلية بسبب الاضطراب. يكشف النموذج عن مراحل متميزة: سائل فائق، عازل موت، وزجاج بوز، مع انتقال بين هذه المراحل يتأثر بقوة الاضطراب. تشير النتائج إلى أنه في النظام المتفاعل بقوة (حيث \( U \gg J \))، تكون مرحلة العزل موت مستقرة للاضطراب الضعيف، بينما يؤدي الاضطراب الأقوى إلى حالة بلا فجوة. على العكس، في النظام المتفاعل بشكل ضعيف، يتسبب الاضطراب في التوطين وتقليل التماسك الطوري، مما يشير إلى وجود مرحلة زجاج بوز لأي اضطراب غير صفري.
يستخدم المؤلفون قياسات رؤية زمن الطيران ومعامل إدواردز-أندرسون \( q_i \) للتمييز بين مرحلتي العازل موت وزجاج بوز. تكشف قياسات الرؤية عن انخفاض في التماسك مع زيادة الاضطراب، بينما يلتقط \( q_i \) بفعالية الانتقال من العازل موت إلى زجاج بوز، موضحًا قيمًا غير صفرية في وجود الاضطراب. يحدد تداخل تالبت أيضًا طول التماسك، مما يظهر انخفاضًا كبيرًا في التماسك مع زيادة الاضطراب، متسقًا مع خصائص زجاج بوز. تختتم الدراسة بأن الانتقال بين هذه المراحل غير أديباتيكي، مما يبرز الإمكانية للبحث المستقبلي في الأنظمة المضطربة وخصائص تماسكها عبر هندسات الشبكة المختلفة والأبعاد.
DOI: https://doi.org/10.1103/xb42-j6px
Publication Date: 2026-03-02
Author(s): Lennart Koehn et al.
Primary Topic: Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates
Overview
This research investigates the impact of disordered potentials on transport and coherence in quantum systems, specifically focusing on the Bose-glass phase in interacting bosonic systems. The authors employ Talbot interferometry alongside single-atom-resolved detection in a quantum-gas microscope to experimentally identify the Bose-glass phase in a two-dimensional lattice with controllable disorder. They quantify coherence through in situ density distributions, particle-number fluctuations using the Edwards-Anderson parameter, and the visibility of interference patterns post time-of-flight. The findings reveal a transition from long-range to short-range coherence as the system moves through the superfluid-to-Bose-glass transition, with observed nonergodic dynamics indicating that transitions in and out of the Bose glass are nonadiabatic within the experimental timescales.
The study concludes that the experimental identification of the Bose-glass phase across varying interaction strengths provides a foundation for further exploration of disordered systems. The authors suggest that future research could investigate the effects of disorder in different lattice geometries and dimensions, as well as the stability of many-body localization and quantum avalanches. They also highlight the potential for controlled disorder to enhance the understanding of frustration and the spin-glass phase in the Fermi-Hubbard model. By extending system sizes, the research aims to deepen insights into the nature of many-body localization and the Bose glass, particularly through the realization of the two-dimensional extension of the Aubry-André model.
Methods
In this section, the authors detail their experimental setup involving ultracold $^{87}$Rb atoms confined in a vertical optical lattice with a wavelength of $\lambda = 1064 \, \text{nm}$ and a depth of $V_z = 25 E_r$, where $E_r = \frac{h^2}{2m\lambda^2}$ represents the recoil energy of the atoms. Following evaporative cooling, a superfluid state comprising approximately 200 atoms is achieved in shallow horizontal lattices with depths $V_x = V_y \approx 10 E_r$. The ratio of interaction to kinetic energy, $U/J$, is manipulated by adjusting the lattice depths in the horizontal direction. The in situ site occupations are measured using fluorescence imaging, revealing a cloud diameter of about 16 sites, with typical temperatures around $k_B T \approx 0.1 U$, determined through radial fits in a Mott-insulating state.
To introduce disorder into the system, the authors employ a blue-detuned laser projected onto a digital micromirror device (DMD), which creates a repulsive light potential with random amplitudes at each lattice site, following a uniform box distribution. This approach contrasts with conventional methods that utilize speckle patterns or quasirandom potentials in ultracold-atom experiments. The DMD allows for the generation of reproducible disorder patterns while maintaining phase alignment with the horizontal lattices, addressing potential drift issues over time.
Discussion
In this study, the authors investigate the disordered Bose-Hubbard model, characterized by a Hamiltonian that incorporates tunneling strength, on-site interaction energy, and local energy shifts due to disorder. The model reveals distinct phases: superfluid, Mott insulator, and Bose glass, with the transition between these phases influenced by disorder strength. The findings indicate that in the strongly interacting regime (where \( U \gg J \)), a Mott-insulating phase is stable for weak disorder, while stronger disorder leads to a gapless state. Conversely, in the weakly interacting regime, disorder causes localization and reduced phase coherence, suggesting the presence of a Bose-glass phase for any non-zero disorder.
The authors employ time-of-flight visibility measurements and the Edwards-Anderson parameter \( q_i \) to distinguish between the Mott insulator and Bose glass phases. Visibility measurements reveal a decrease in coherence as disorder increases, while \( q_i \) effectively captures the transition from Mott insulator to Bose glass, showing non-zero values in the presence of disorder. Talbot interferometry further quantifies coherence length, demonstrating a significant reduction in coherence with increasing disorder, consistent with the characteristics of a Bose glass. The study concludes that transitioning between these phases is nonadiabatic, emphasizing the potential for future research into disordered systems and their coherence properties across various lattice geometries and dimensions.