초저온 원자에서 3차원 앤더슨 전이 직접 관측

초록

레이저 스페클을 이용한 3차원 무질서 포텐셜 속에서, 라디오주파수 펄스를 통해 에너지 폭이 10 Hz 수준으로 제한된 원자 파동을 준비하고 장시간(수초) 팽창을 추적함으로써 이동성 경계(모빌리티 엣지)를 직접 측정하였다. 실험 결과는 최신 수치 시뮬레이션과 정량적으로 일치하며, 기존 초저온 원자 실험에서 발생하던 에너지 블러링 문제를 극복한 최초의 관측이다.

상세 분석

이 논문은 3차원 앤더슨 전이를 직접 관측하기 위해 ‘에너지 선택적 로딩’이라는 새로운 실험 기법을 도입했다. 87Rb Bose‑Einstein condensate(BEC)에서 두 내부 스핀 상태 |1⟩와 |2⟩를 이용하고, 마법 자기장 B*≈3.23 G에서 두 상태의 자기 감수성을 동일하게 맞춤으로써 중력 보상 및 자기장 잡음에 대한 내성을 확보했다. 레이저 스페클은 두 파장의 빔(주 파장 λp와 보상 파장 λc)을 동일한 디퓨저에 통과시켜 3차원 무질서 포텐셜을 형성했으며, λp와 λc의 세기와 detuning을 조절해 |1⟩에는 거의 무질서가 없고 |2⟩에만 rms 진폭 VR을 부여하도록 설계했다.

핵심은 짧은 라디오주파수(rf) 펄스(t_rf≈40 ms)를 이용해 |1⟩→|2⟩ 전이를 유도함으로써 전이된 원자들의 에너지 분포 폭 ΔE≈h/t_rf≈14 Hz(≈h·14 Hz)로 제한한다는 점이다. 이는 이전 실험에서 수백 Hz에 달하던 에너지 블러링을 두세 자릿수 감소시킨다. 전이된 원자들은 즉시 광학 트랩을 끄고, 무질서 포텐셜 안에서 자유롭게 팽창한다. 팽창은 주로 z축으로 진행되며, 인‑시투 플루오레선스 이미징을 통해 x축을 따라 적분한 컬럼 밀도 n_col(y,z,t)를 측정한다.

측정된 밀도 프로파일은 에너지 E_f가 이동성 경계 E_c보다 낮을 때는 지수적 꼬리를 보이며(앤더슨 로컬라이제이션), E_f>E_c에서는 가우시안 형태의 확산 프로파일을 나타낸다. 시간에 따른 제곱 반경 σ²(t)의 성장률을 분석하면, 확산 영역에서는 σ²∝t, 로컬라이즈 영역에서는 σ²≈const, 임계점에서는 σ²∝t^{2/3}이라는 이론적 스케일링을 확인할 수 있다. 실험에서 관측된 E_c/h≈240 Hz는 최신 전산 시뮬레이션(Ref.