[論文レビュー] Non-ground-state Bose-Einstein condensates of magnons in superfluid 3He-B

Yu. M. Bunkov, V. B. Eltsov+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2010

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 19被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、超流動 3He-B 内のチューナブルな磁気トラップにおいて、スピン軌道結合の下で調和型から正方形井戸型に変化するトラップを伴うボーズ・アインシュタイン凝縮の実験的実現を初めて示した。rfポンピングにより、基底状態および励起状態の磁気モーメント凝縮が共に位相的に励起され、ボックス型ポテンシャル内に2つの共存する凝縮状態の観測が可能となった。

ABSTRACT

Long-lived coherent spin precession of 3He-B at low temperatures around 0.2 Tc is a manifestation of Bose-Einstein condensation of spin-wave excitations or magnons in a magnetic trap which is formed by the order-parameter texture and can be manipulated experimentally. When the number of magnons increases, the orbital texture reorients under the influence of the spin-orbit interaction and the profile of the trap gradually changes from harmonic to a square well, with walls almost impenetrable to magnons. This is the first experimental example of Bose condensation in a box. By selective rf pumping the trap can be populated with a ground-state condensate or one at any of the excited energy levels. In the latter case the ground state is simultaneously populated by relaxation from the exited level, forming a system of two coexisting condensates.

研究の動機と目的

• 超流動 3He-B の秩序パラメータのテクスチャーによって形成される磁気トラップにおける磁気モーメントのボーズ・アインシュタイン凝縮を観測すること。
• 磁気モーメント数が増加するに従い、スピン軌道結合によって調和型から正方形井戸型に近いトラップポテンシャルに変化する過程を調査すること。
• 選択的な rf ポンピングにより、基底状態および励起状態の磁気モーメント状態を共に位相的に励起できることを実証すること。
• 単一系において複数の磁気モーメント凝縮状態が共存する可能性を調査すること。

提案手法

• 約 0.2 Tc の磁場下で、3He-B 内の長寿命な位相的スピン進動を用いて磁気モーメント凝縮をプローブすること。
• 秩序パラメータの空間的テクスチャーを介して磁気トラップを形成し、スピン波励起によって磁気モーメントを閉じ込める。
• rfパulsesを用いて、磁気モーメントトラップの特定のエネルギー準位を効果的に励起する。
• 磁気モーメント数の増加に伴い、スピン軌道相互作用によって生じるトラップの形状が調和型から正方形井戸型に変化する様子をモニタリングする。
• 基底状態および励起状態の磁気モーメント状態が同時に励起されていることを観測し、緩和過程によって基底状態が励起されることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超流動 3He-B 内のチューナブルな磁気トラップにおいて、磁気モーメントのボーズ・アインシュタイン凝縮を実験的に実現できるか？
• RQ2 磁気モーメント数が増加するに従い、トラップポテンシャルが調和型から正方形井戸型にどのように変化するか？
• RQ3 スピン軌道結合が磁気モーメントの有効ポテンシャルの形状に果たす役割は何か？
• RQ4 基底状態および励起状態の両方の磁気モーメント状態を、単一系内で共に位相的に励起できるか？
• RQ5 複数の凝縮状態の共存が、系の位相的整合性およびダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 系は長寿命の位相的スピン進動を示し、磁気トラップ内にボーズ・アインシュタイン凝縮した磁気モーメントが存在することを確認した。
• 磁気モーメント数が増加するに従い、トラップポテンシャルは調和型から、ほぼ透過不能な壁を持つ正方形井戸型に移行し、ボックス型ポテンシャル内でのボーズ凝縮の初の実験的実現を達成した。
• 選択的な rf ポンピングにより、任意のエネルギー準位（励起状態を含む）に凝縮状態を形成できることが可能となった。
• 励起状態からの緩和過程によって基底状態も同時に励起され、2つの共存する磁気モーメント凝縮状態が実現された。
• 複数の凝縮状態にわたり、安定的かつ長寿命の位相的整合性が維持されており、テクスチャーを持つ超流動環境下でも量子状態の強靭性が確認された。