[論文レビュー] Anomalous thermoelectric transport in two-dimensional Bose gas

E.L. Hazlett, Li-Chung Ha+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、弱い三体再結合によって駆動される二次元超低温ボーズガスから、熱電輸送特性（特にセーベック係数とローレンツ数）を抽出するための新しいイン・サイト画像法を導入する。異常な挙動が明らかになった。特に、常態における正のセーベック係数が超伝導相において負に変わることで、化学ポテンシャル勾配が存在しない状態で超伝導体が熱の流れに対して逆方向に流れることを示している。

ABSTRACT

In condensed matter physics, transport measurements are essential not only for the characterization of materials, but also to discern between quantum phases and identify new ones. The extension of these measurements into atomic quantum gases is emerging and will expand the scope of quantum simulation and atomtronics. To push this frontier, we demonstrate an innovative approach to extract transport properties from the time-resolved redistribution of the particles and energy of a trapped atomic gas. Based on the two-dimensional (2D) Bose gas subject to weak three-body recombination we find clear evidence of both conductive and thermoelectric currents. We then identify the contributions to the currents from thermoelectric forces and determine the Seebeck coefficient (a.k.a. thermopower) and Lorenz number, both showing anomalous behavior in the fluctuation and superfluid regimes. Our results call for further exploration of the transport properties, particularly thermoelectric properties, of atomic quantum gases.

研究の動機と目的

• 超低温原子系の時間分解イン・サイト画像から輸送係数を抽出する手法を開発すること。
• 常態、フラクチュエーション領域、超伝導領域をカバーする2次元ボーズガスにおける熱電輸送を特徴付けること。
• 量子degenerateボーズガスにおけるセーベック係数とローレンツ数を測定し、量子相転移付近での挙動を評価すること。
• 超低温原子を量子シミュレータとして用いて、強い相関する量子系における線形応答輸送理論の妥当性を検証すること。

提案手法

• 密度分布の尾部にフィットすることで、中心化学ポテンシャル μ₀(t) と温度 T(t) を抽出する。
• 状態方程式を適用して、測定された密度分布からエネルギー密度分布 e(r,t) を再構成する。
• 三体再結合損失を sₚ = -k n³ としてモデル化し、境界条件から k を決定し、連続の方程式を用いて粒子フラックス jₚ(r,t) を計算する。
• 三体再結合による加熱源項 sₑ を用いて、エネルギーフラックス jₑ(r,t) を連続の方程式から導出する。
• 線形応答理論を用いて、フラックス jₚ と jₑ を熱力学的力 fₚ = -∇(μ/T) と fₑ = ∇(1/T) に分解する。
• 線形分解とオンサッガーの相反関係を用いて、輸送係数（特にセーベック係数 ℒ とローレンツ数 ℒ）を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子系の時間分解イン・サイト画像から、セーベック係数やローレンツ数などの輸送係数をどのように抽出できるか？
• RQ2 2次元ボーズガスにおいて、常態から超伝導相への遷移に伴い、セーベック係数はどのように変化するか？
• RQ3 2次元ボーズガスのフラクチュエーション領域および超伝導領域において、ローレンツ数は一定を保つか、異常な挙動を示すか？
• RQ4 超低温原子系における熱電輸送は、温度勾配に対して逆方向に流れることを示す超伝導体の反流（fountain effect）の兆候を明らかにできるか？

主な発見

• 超伝導相においてセーベック係数が負になる。これは、化学ポテンシャル勾配が存在しない状態で、超伝導体が冷たい領域から熱い領域へと流れることを示している。
• セーベック係数の符号変化は、μ ≈ 0.53(10) の超伝導転移点付近で発生し、ヘリウム-4におけるフountain効果に類似した超伝導体反流と整合的である。
• ローレンツ数は流体力学的領域では正のままだが、超伝導相ではやや減少し、実験的誤差が大きいため、漸近的挙動の正確な特定は困難である。
• 三体再結合損失係数は k = 1.34(8)×10⁻¹⁸ cm⁻⁴s⁻¹ として測定され、3BRが主な損失機構であることを確認した。
• 粒子フラックスは、中心部で損失により内向きの流れを示し、密度の尾部では加熱により外向きの流れを示しており、導電的および熱電的電流の共存を示している。
• フラクチュエーション領域および超伝導領域では、系は流体力学的である（l ≈ 1–5 μm）ことが確認され、線形応答輸送理論の適用が妥当であることが裏付けられた。