[論文レビュー] Long lifetime supersolid in a two-component dipolar Bose-Einstein condensate

Shaoxiong Li, Uyen Ngoc Le+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 73被引用数 43

ひとこと要約

本論文は、通常の高密度と三体再結合損失により寿命が制限されるLee-Huang-Yang (LHY)補正に依存せずに、長寿命な超固体を安定化するため、二成分の双極子ボーズ・アインシュタイン凝縮（166Er-87Rb）を提案する。トラップ中心の相対的オフセットδを調整することで、ドロップレット間のジョセフソン結合を可能とし、位相が反転する長周期のゴールドストーンモードを励起するとともに、有効密度と双極子相互作用強度を低下させることで原子損失を抑制する。

ABSTRACT

Recent studies on supersolidity in a single-component Bose-Einstein condensate (BEC) have relied on the Lee-Huang-Yang (LHY) correction for stabilization of self-bound droplets, which however involves a high density inside the droplets, limiting the lifetime of the supersolid. Here we propose a two-component mixture of dipolar and nondipolar BECs, such as an $^{166}$Er-$^{87}$Rb mixture, to create and stabilize a supersolid without the LHY correction, which can suppress the atomic loss and may allow observation of the long-time dynamics of the supersolid. In such a system, supersolidity can be controlled by the difference in the trap centers between the two components.

研究の動機と目的

• Lee-Huang-Yang (LHY)補正によって安定化される超固体の短寿命性を克服すること。これは通常、高密度と三体再結合損失に起因する。
• 二成分の双極子BECが、擬スピンダイナミクスによる有効相互作用の低減を活用することで、LHY補正に依存せずに超固体を安定化できることを示すこと。
• 成分間のトラップ中心オフセットδを用いることで、超固体性の度合いとそのダイナミクスを制御できることを示すこと。
• 有効密度と双極子相互作用強度を低下させることで原子損失を抑制し、長時間のダイナミクス（例：ゆっくりとしたゴールドストーンモードの振動）の観測を可能とすること。

提案手法

• 双極子-双極子相互作用（DDI）と接触相互作用を含む、結合された非局所的グロス＝ピタエフスキー（GP）方程式を用いて、二成分BECをモデル化する。
• 0 Kにおける平均場近似を用い、166Erと87Rbの空間的分離を考慮した調和トラップを設定し、δは相対的なトラップ中心のずれ（重力によるたるみを含む）を表す。
• 空間分解能dx = dy = dz ≈ 0.3 µm、時間ステップdt ≈ 10 µsで、擬スペクトル法を用いて3次元GP方程式を数値的に解く。
• 地上状態を得るために虚時間発展を実装し、原子損失とダイナミクスを三体再結合を介して実時間発展で解析する。
• 166Er-87Rb混合系においてµ1 ≫ µ2とすることで、擬スピンチャネルにおける有効双極子相互作用を強化し、LHY安定化なしにパターン形成を可能にする。
• 超固体性とコントラストを調整するため、異種散乱長a12とトラップオフセットδを変化させ、系の挙動を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHY補正に依存せずに、二成分の双極子BECにおいて超固体状態を安定化させることは可能か？
• RQ2 成分間のトラップ中心オフセットδが、超固体性の度合いとドロップレット間のジョセフソン結合に与える影響は何か？
• RQ3 大きな磁気モーメント差を有する166Er-87Rb混合系を用いることで、原子損失を低減し、超固体の寿命を延長できるか？
• RQ4 LHY補正が存在しない状況でも、位相が反転する長周期のゴールドストーンモードが出現するか？
• RQ5 擬スピンチャネルにおける有効相互作用強度は、単一成分系と比較してどのように異なるのか？また、パターン形成に果たす役割は何か？

主な発見

• LHY補正に依存しない166Er-87Rb二成分双極子BECにおいて、安定的で長寿命な超固体が実現され、原子損失が顕著に低減された。
• δ = 1.7 µmで、コントラストC ≈ 0.98を示す長寿命超固体相が観測され、周期的密度変調が強く現れている。
• コントラストCはδの増加に伴い上昇し、δ = 1.7 µmでC ≈ 0.98に達し、ジョセフソン結合による超固体性の強化が確認された。
• a12 = 100aBの条件下でも、LHY補正なしに安定な1次元および2次元超固体格子（コントラスト約0.98）が形成された。
• 時間発展の結果、原子損失が抑制され、Njが120秒間にわたりゆっくり減少することが示され、LHY安定化ドロップレットと比較して著しく寿命が延びた。
• δを増加させることで、位相が反転する長周期のゴールドストーンモードが出現し、超固体状態におけるドロップレット間のコherentな超流動の存在が裏付けられた。