[論文レビュー] Domain walls in two-component Bose-Einstein condensates

D. T. Son, Mikhail Stephanov|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2001

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ハイパーファインスピン状態間の小さなラビ結合を有する二成分ボーズ・アインシュタイン凝縮体におけるドメイン壁の形成を調査し、相対位相が2π変化する際に壁が形成されることを示している。壁の張力はストリング状のビリオン間の長距離力に寄与し、零温および有限温度下で、自発的崩壊に対する指数的安定性が保たれ、小さなラビ周波数における崩壊抑制率が定量的に評価されている。

ABSTRACT

We consider a system of two interpenetrating Bose-Einstein condensates of atoms in two different hyperfine spin states. We show that in the presence of a small coupling drive between the two spin levels, there exist domain walls across which the relative phase of the two condensates changes by 2π. We give the physical interpretation of such walls. We show that the wall tension determines the force between certain pairs of vortices at large distances. We also show that the probability of the spontaneous decay of the domain wall is exponentially suppressed, both at finite and at zero temperature, and determine the exponents in the regime of small Rabi frequency. We briefly discuss how such domain walls could be created in future experiments. I.

研究の動機と目的

• 二成分ボーズ・アインシュタイン凝縮体における相互作用を伴うドメイン壁の形成および安定性を理解すること。
• ドメイン壁の張力がストリング状のビリオン対間の長距離力に与える影響を特定すること。
• 有限温度および零温におけるドメイン壁崩壊の量子的抑制を分析すること。
• 将来の超低温原子実験において、このようなドメイン壁を理論的に構築するフレームワークを提供すること。

提案手法

• ラビ結合項を含む結合したグロス＝ピタエフスキー方程式を用いて二成分BECをモデル化する。
• 相対的な秩序パラメータにおける2π位相巻き込みを示すトポロジカルな欠陥としての静的ドメイン壁解を分析する。
• ドメイン壁プロファイルに沿ったエネルギー密度の積分により、壁の張力を計算する。
• 有限温度における自発的崩壊の抑制率を計算するためにインスタントン技法を適用する。
• 小さなラビ周波数の領域において摂動論的理論を用いて、崩壊率の解析的表現を導出する。
• 超低温原子系における既存のレーザー結合技術と照らし合わせることで、実験的実現可能性を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二成分ボーズ・アインシュタイン凝縮体にラビ結合を導入した場合、どのような条件下でドメイン壁が形成されるか？
• RQ2 壁の張力は、大距離におけるビリオン対間の相互作用力にどのように影響するか？
• RQ3 ドメイン壁の自発的崩壊率はどの程度で、温度およびラビ周波数にどのように依存するか？
• RQ4 零温および有限温度の両状態で、ドメイン壁が崩壊から安定化可能か？
• RQ5 どのような実験的セットアップが、超低温原子系においてこのようなドメイン壁を実現・検出可能にするか？

主な発見

• ラビ結合により二成分凝縮体間の相対位相が2π変化する場合、ドメイン壁がトポロジカル欠陥として出現する。
• 壁の張力は位相不連続性に伴うエネルギーコストに直接関係し、ビリオン対間の長距離相互作用を決定づける。
• 零温および有限温度下で、自発的崩壊の確率は指数的に抑制される。
• 小さなラビ周波数の極限において、抑制指数が解析的に導出され、安定性の強固さが示された。
• 系は長寿命なドメイン壁を支持しており、トポロジカルな量子情報処理への応用が現実的である。
• 二つのハイパーファイン状態を有するトラップされた超低温原子系において、レーザー誘導ラビ結合を用いた実験的実現が可能である。