[論文レビュー] Effect of Rashba spin-orbit and Rabi couplings on the excitation spectrum of binary Bose-Einstein condensates

Rajamanickam Ravisankar, Henrique Fabrelli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 76被引用数 31

ひとこと要約

本研究は、Bogoliubov-de Gennes (BdG) 理論を用いて、ラシバスピン軌道およびラビカップリングを有する準二次元二成分ボーズ＝アインシュタイン凝縮体の集団励起スペクトルおよび動的安定性を調査する。ラシバカップリングの増大は不安定性を引き起こすが、ラビカップリングは系を安定化させる。ロトン最小値の深さはカップリング強度に強く依存しており、BdG固有スペクトルおよび直接的なGPEシミュレーションによって確認された。

ABSTRACT

We present the collective excitation spectrum analysis of binary Bose-Einstein condensates (BECs) with spin-orbit (SO) and Rabi couplings in a quasi-two-dimensional system. In particular, we investigate the role of SO and Rabi coupling strengths in determining the dynamical stability of the coupled BECs using Bogoliubov-de Gennes (BdG) theory. Using the eigenergy of BdG spectrum, we confirm the existence of phonon, roton, and maxon modes with weak repulsive intra- and inter-species contact interactions. The depth of the minimum corresponding to the roton mode depends strongly on the coupling strength. We find that the increase of the SO coupling leads to instability, while the increase in the Rabi coupling stabilizes the system. Also the eigenvectors of BdG spectrum indicates the presence of density like mode in the stable regime and spin like modes in unstable regimes. A phase diagram demonstrating the stability regime in the plane of SO and Rabi coupling strengths is obtained. Finally, we complement the observation of the excitation spectrum with the direct numerical simulation results of coupled Gross-Pitaevskii equations.

研究の動機と目的

• 準二次元におけるスピン軌道およびラビカップリングを有する二成分ボーズ＝アインシュタイン凝縮体の動的安定性を分析すること。
• ラシバスピン軌道カップリングとラビカップリングの間の相互作用が励起モードおよび系の安定性に与える影響を調査すること。
• 相互作用およびカップリング強度を変化させた場合のフォノン、ロトン、マクソンモードの出現を特定すること。
• ラシバ－ラビカップリング強度平面における安定領域をマップするフェーズダイアグラムを構築すること。
• BdG予測の妥当性を、結合Gross-Pitaevskii方程式の直接数値シミュレーションにより検証すること。

提案手法

• 二成分BECにラシバスピン軌道カップリングおよびラビカップリングを含む平均場ハミルトニアンを定式化する。
• 次元なし形式の結合Gross-Pitaevskii方程式から、単粒子分散関係を導出する。
• Bogoliubov-de Gennes (BdG) 理論を適用して励起スペクトルを計算し、固有エネルギーおよび固有ベクトルを用いて安定性を分析する。
• BdG固有スペクトルを用いてフォノン、ロトン、マクソンモードを特定し、カップリングパラメータの変化に伴うそれらの進化を追跡する。
• 結合Gross-Pitaevskii方程式の直接数値シミュレーションを実施し、BdGによる基底状態の安定性予測を検証する。
• ラシバおよびラビカップリング強度を走査することで、安定および不安定領域をマップするフェーズダイアグラムを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラシバスピン軌道カップリングは、準2次元二成分BECの動的安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ラビカップリングは、系の安定化または不安定化にどのような役割を果たすか？
• RQ3 フォノン、ロトン、マクソンモードの励起モードは、スピン軌道およびラビカップリング強度を変化させた際にどのように変化するか？
• RQ4 ロトン最小値の深さはカップリングパラメータにどのように依存するか？
• RQ5 BdGスペクトルの固有ベクトルは、安定および不安定相における集団モードの性質をどのように反映するか？

主な発見

• ラシバスピン軌道カップリングの増大は、二成分BEC系における動的不安定性を引き起こす。
• ラビカップリングは系を安定化させ、ラシバカップリングによる不安定化効果を相殺する。
• 励起スペクトルにおけるロトン最小値の深さは、ラシバおよびラビカップリング強度に強く依存する。
• 安定領域では、BdG固有ベクトルは密度型モードを示すが、不安定領域ではスピン型モードが支配的になる。
• ラシバ－ラビカップリング強度平面におけるフェーズダイアグラムは、明確に安定領域を区別する。
• 結合Gross-Pitaevskii方程式の直接シミュレーションにより、BdGに基づく安定性解析および励起スペクトルの特徴が確認された。