[論文レビュー] Gravity waves on the surface of topological superfluid 3He-B

V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2013

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、0.2 mK未満の温度で、超低温トポロジカル超伝導体3He-Bの自由表面における重力波の初回実験的観測を報告する。マグノン準粒子のボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）を感度の高いプローブとして用い、表面波モードを検出するとともに、表面振動に起因する温度依存性の減衰およびマグノン凝縮体の増強された緩和を観測し、表面に束縛されたマジョラナフェルミオンへの結合の可能性を示唆する。

ABSTRACT

We have observed waves on the free surface of 3He-B sample at temperatures below 0.2mK. The waves are excited by vibrations of the cryostat and detected by coupling the surface to the Bose-Einstein condensate of magnon quasiparticles in the superfluid. The two lowest gravity-wave modes in our cylindrical container are identified. Damping of the waves increases with temperature linearly with the density of thermal quasiparticles, as expected. Additionally finite damping of the waves in the zero-temperature limit and enhancement of magnetic relaxation of magnon condensates by the surface waves are observed. We discuss whether the latter effects may be related to Majorana fermions bound to the surface of the topological superfluid.

研究の動機と目的

• 超低温度におけるトポロジカル超伝導体3He-Bの自由表面での重力波の検出。
• 温度および準粒子密度関数としての表面波の減衰の調査。
• マグノン凝縮体の緩和を介して、表面波と表面に束縛されたマジョラナフェルミオンとの結合をプローブすること。

提案手法

• T < 0.2 mKの3He-Bを含む円筒形容器に、核磁気共鳴（NMR）受信コイルを用いて自由表面をプローブする。
• 軌道的異方性軸の径方向テクスチャーと軸方向磁場最小値によって作られるトラップ内に、マグノン準粒子のボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）を形成する。
• 表面波の振動がトラップポテンシャルを変調し、マグノンBECの歳差周波数をシフトさせる。このシフトはNMR信号解析により検出される。
• 連続波NMRポンピングをm=2準位で行い、基底状態BECを維持しつつ、表面波に起因する周波数シフトを測定する。
• ポンピングを停止した後のマグノンBECの緩和時間を測定し、表面波または周期的磁場変化によって誘起される変調を用いる。
• バンドパスフィルタリングにより基底状態凝縮体信号を分離し、周波数および振幅変調の正確な追跡を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.2 mK未満の温度で、3He-Bの自由表面における重力波を実験的に観測できるか？
• RQ2 超伝導体における表面波の減衰は、温度および準粒子密度にどのように依存するか？
• RQ3 観測されたマグノンBEC緩和の増強は表面波の変調に起因するものであり、表面に束縛されたマジョラナフェルミオンと関連している可能性はあるか？
• RQ4 絶対零度でも有限の減衰が観測されるということは、熱的準粒子を超えた新たな緩和機構の存在を示唆するか？
• RQ5 マグノンBECは、表面波ダイナミクスおよびトポロジカル表面状態を感度良くプローブできるか？

主な発見

• 0.2 mK未満の温度で、3He-Bの自由表面における重力波が観測され、円筒形容器内に2つの最低モードが同定された。
• 波の減衰は温度に比例して増加し、熱的準粒子による減衰と整合的であり、絶対零度極限でも有限の値に外挿される。
• マグノンBECの緩和率は、表面波振動の振幅が大きくなるにつれて増加し、追加の緩和チャネルを示唆する。
• 同じ周波数で磁場を変調しても同様の効果は観測されないため、直接的な変調誘発遷移が原因でないことが示された。
• 観測された緩和増強は、表面に束縛されたマジョラナフェルミオンとの結合に起因する可能性があるが、これを確認するための理論的モデルが今後必要となる。