[論文レビュー] BEC in Spin-Orbit Coupled Optical Lattices: Flat Bands and Superfluidity

Yongping Zhang, Chuanwei Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、特定のパrameter条件下で一次元光学格子内のスピン軌道結合ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）が、最低ブロッホ状態に孤立したフラットバンドを形成できることを示している。このフラットバンドは、トポロジカルフラットバンド物理学のためのプラットフォームを提供する。フラットバンドは平均場相互作用に対しても安定であり、超流動性の分析により、全フラットバンドにわたり動的およびランダウ安定性が確認された。これは、量子シミュレーションに向けたその強靭性を示している。

ABSTRACT

Recently spin-orbit (SO) coupled superfluids in free space or harmonic traps have been extensively studied, motivated by the recent experimental realization of SO coupling for Bose-Einstein condensates (BEC). However, the rich physics of SO coupled BEC in optical lattices has been largely unexplored. In this paper, we show that in suitable parameter region the lowest Bloch state forms an isolated flat band in a one dimensional (1D) SO coupled optical lattice, which thus provides an experimentally feasible platform for exploring the recently celebrated topological flat band physics in lattice systems. We show that the flat band is preserved even with the mean field interaction in BEC. We investigate the superfluidity of the BEC in SO coupled lattices through dynamical and Landau stability analysis, and show that the BEC is stable on the whole flat band.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）が光学格子内でフラットバンドが出現する仕組みを調査すること。
• BECにおける平均場相互作用の下でフラットバンドの安定性を検討すること。
• 動的およびランダウ安定性基準を用いて、スピン軌道結合格子における超流動性を分析すること。
• 超低温量子系におけるトポロジカルフラットバンド物理学を研究するための実現可能な実験的プラットフォームを確立すること。

提案手法

• ラマン結合を用いてスピン軌道結合を導入した一次元光学格子ハミルトニアンの構築。
• 単粒子ハミルトニアンの対角化により、最低ブロッホバンド構造の特定。
• バンド分散の分析により、特定のパrameter領域で孤立したフラットバンドの存在を確認。
• 平均場理論の適用により相互作用を導入し、フラットバンドに与える影響を評価。
• BEC秩序パラメータにおける摂動の時間発展に基づく動的安定性解析。
• 長波長励起に対する系の応答を評価し、不安定性の閾値を特定するためのランダウ安定性解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学格子内でのスピン軌道結合が、最低ブロッホ状態に孤立したフラットバンドを形成できるか？
• RQ2 平均場相互作用は、SO結合BECにおけるフラットバンドの安定性および構造にどのように影響するか？
• RQ3 動的およびランダウ基準の両方において、フラットバンド全体にわたって超流動状態が安定か？
• RQ4 強いスピン軌道結合および格子の周期性が存在するにもかかわらず、この系は強靭な超流動性を示せるか？

主な発見

• 適切なパrameter条件下で、一次元スピン軌道結合光学格子の最低ブロッホ状態に孤立したフラットバンドが出現する。
• 平均場相互作用を含めてもフラットバンドが保持されることから、トポロジカル保護または相互作用に対する強靭性が示唆される。
• 動的安定性解析により、BECは全フラットバンドにわたり安定であり、不安定モードは検出されなかった。
• ランダウ安定性解析により、長波長モードにおける不安定性の欠如がさらに確認され、状態の超流動的性質が裏付けられた。
• 本系は、超低温原子系におけるトポロジカルフラットバンド物理学の実現および研究に向けた実現可能な実験的プラットフォームを提供する。
• 結果から、スピン軌道結合光学格子は、トポロジカル相の量子シミュレーションへの応用が可能な強靭な超流動状態を有し得ることが示唆される。