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Self-Bound Quantum Droplets of Atomic Mixtures in Free Space

Self-bound quantum droplets are a newly discovered phase in the context of ultracold atoms. Here we report their experimental realization with a mixture of Bose-Einstein condensates.
Bose-Einstein condensates of atoms in free-space expand in their gas phase, while are self-bound when forming a droplet in their liquid phase.

DOI Code: 10.1103/PhysRevLett.120.235301

Links: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.235301

DIFA Authors: Francesco Minardi

Ultracold atoms are commonly known and studied in their gas phase. They are confined on a finite volume by external potentials, but they readily expand as soon as they are released. Recently a theoretical proposal has surprisingly pointed out that a mixture of atomic gaseous Bose-Einstein condensates can form liquidlike droplets, that are self-bound in free space without any confining potential.

When the attraction between the two atomic Bose-Einstein condensates becomes very large, the mixture is expected to collapse. In this regime, however, an effective repulsion arises to arrest collapse and stabilize the system. This effective repulsion is genuinely due to quantum fluctuations that modify the energy with a term known as the ‘Lee-Huang-Yang correction’. The quantum fluctuations are usually very weak and often neglected, but they increase with the density of the sample: when the mixture collapses under the attractive interactions, the densities rapidly rise and the quantum fluctuations become important. The equilibrium between the competing forces leads to the formation of self-bound droplets, with a spherical shape dictated by the isotropic nature of the attractive (van-der-Waals) atomic interactions.

We have charted the mixture phase diagram, proving the existence of the self-bound phase, and identified the critical conditions for its formation. We have analyzed the dynamics observed in the droplet formation and evolution; the comparison to numerical simulations shows that the droplet size and composition are in good agreement with the original theoretical proposal.

This new quantum state of matter is expected to display a number of interesting features. The most peculiar among them is related to its excitation spectrum. In a specific region of the phase diagram, any excess of energy of the droplets is expelled by emission of atoms, leading to a “self-evaporation” that keeps the droplet at zero temperature.

Gocce quantistiche di miscele atomiche

Le gocce quantistiche sono una nuova fase scoperta di recente nell’ambito degli atomi freddi. Qui si riporta la loro realizzazione sperimentale con una miscela di due condensati di Bose-Einstein.

Gli atomi ultrafreddi sono generalmente studiati in fase gassosa. Sono confinati in un volume finito da potenziali esterni ma espandono immediamente appena si rimuove il confinamento. Di recente, un lavoro teorico ha previsto che, sorprendentemente, una miscela di condensati di Bose-Einstein di gas atomici può formare una gocce liquide che si auto-confinano in assenza di potenziali esterni. Quando l’attrazione tra due condensati di Bose-Einstein diventa molto forte, la miscela implode. In realtà si genera una repulsione efficace, che arresta il collasso e stabilizza la miscela. Questa repulsione è interamente dovuta alle fluttuazioni quantistiche, che modificano l’energia totale con un contributo noto come la ‘correzione di Lee-Huang-Yang’. Le fluattuazioni quantistiche, generalmente molto piccole e spesso trascurate, aumentano con la densità degli atomi nei condensati: quando la miscela implode, le densità crescono rapidamente fino al punto in cui le fluttuazioni quantistiche diventano importanti. L’equilibrio tra l’attrazione e la repulsione efficace porta alla formazione delle gocce auto-confinate, con una forma sferica dovuta alla isotropia delle interazioni attrattive (di van-der-Waals) tra gli atomi.

In questo lavoro, è stato ottenuto il diagramma di fase della miscela, dimostrando l’esistenza della fase auto-confinata, e sono state identificate le condizioni critiche in cui si formano. Abbiamo analizzato il comportamento dinamico delle gocce nel corso della formazione e della successiva evoluzione; il confronto con simulazioni numeriche mostra che la dimensione e la composizione delle gocce sono in buon accordo con il lavoro originale di proposta.

Ci si attende che questo nuovo stato quantistico della materia esibisca caratteristiche interessanti, tra le quali la più peculiare è legata allo spettro di eccitazione. In una regione specifica del diagramma di fase l’energia in eccesso rispetto allo stato fondamentale del sistema viene ridotta mediante espulsione di atomi, con un’auto-evaporazione

che mantiene la goccia nello stato fondementale, ovvero a temperatura nulla.