[論文レビュー] Observation of anisotropic superfluid density in an artificial crystal

Junheng Tao, Mingshu Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、周期が小さい光格子を有する調和トラップ内のボーズ＝アインシュタイン凝縮体の流体力学モデルを導出し、ジョゼフソンの和則を通じて超流動密度と異方的音速の関係を確立する。主な発見は、異方的超流動密度が回転系において負の慣性モーメントを引き起こす可能性があることである。これは古典的系に存在しない純粋な量子効果である。

ABSTRACT

We experimentally and theoretically investigate the anisotropic speed of sound of an atomic superfluid (SF) Bose-Einstein condensate in a 1D optical lattice. Because the speed of sound derives from the SF density, this implies that the SF density is itself anisotropic. We find that the speed of sound is decreased by the optical lattice, and the SF density is concomitantly reduced. This reduction is accompanied by the appearance of a normal fluid in the purely Bose condensed phase. The reduction in SF density -- first predicted [A. J. Leggett, Phys. Rev. Lett. 1543--1546 (1970)] in the context of supersolidity -- results from the coexistence of superfluidity and density modulations, but is agnostic about the origin of the modulations. We additionally measure the moment of inertia of the system in a scissors mode experiment, demonstrating the existence of rotational flow. As such we shed light on some supersolid properties using imposed, rather than spontaneously formed, density-order.

研究の動機と目的

• 異方的系における超流動密度と励起スペクトルの理論的枠組みを確立すること。
• 弱い光格子を有する調和トラップ内の回転するボーズ＝アインシュタイン凝縮体の流体力学を分析すること。
• 格子に起因する超流動密度の異方性が集団モードおよび慣性モーメントに与える影響を調査すること。
• 超流動流れの異方性に起因する量子的特徴（例：負の慣性モーメント）を特定すること。

提案手法

• 超流動密度と1体グリーン関数のスペクトル関数の関係を示すジョゼフソンの和則を導出する。
• 線形応答理論を用いて、凝縮体波動関数および電流演算子の摂動をスペクトル密度 A(k,ω) に結びつける。
• 連続の式を用いて電流応答と密度応答を関連させ、k→0極限における超流動密度の導出を可能にする。
• 平均場基底状態上でボゴリューボフ＝デ・ゲーンズ方程式を解き、光格子ポテンシャル下での修正されたフォノンスペクトルを計算する。
• 回転する凝縮体のための流体力学モデルを構築し、異方的超流動分率 f^sf_ij を運動量およびエネルギー方程式に組み込む。
• 超流動および通常流動寄与からなる慣性モーメントの式を導出し、数値シミュレーションと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い光格子において異方的超流動密度はどのように生成され、音速の異方性と何の関係があるか？
• RQ2 回転する調和トラップに弱い周期の光格子を導入したボーズ＝アインシュタイン凝縮体の流体力学的応答はいかなるものか？
• RQ3 異方的超流動流れに起因して慣性モーメントが負になることは可能か？ これは量子的・古典的挙動の違いに何を示唆するか？
• RQ4 フレーム変換とバンド射影の順序が、慣性モーメントにおける超流動寄与に与える影響は何か？

主な発見

• 超流動密度 ρ^sf_ĥk はスペクトル関数 A(k,ω) の k→0極限から導出され、その異方性は方向依存音速に起因する。
• ボゴリューボフ＝デ・ゲーンズ計算により、浅い光格子はxおよびy方向で音速を異なるように抑制し、ブリユアンゾーン端にギャップを開く。
• 格子なしの回転系では、ある軸方向の超流動密度が十分に減少すると、慣性モーメントが負になることがあり、これは純粋な量子効果である。
• トラップと同期した回転する格子がある場合、超流動寄与の慣性モーメントは I^sf/I_c = (f^sf_xx ω_x² - f^sf_yy ω_y²)² / [(f^sf_xx ω_x² + f^sf_yy ω_y²)(ω_x² + ω_y²)] で与えられ、正でありシミュレーションデータと一致する。
• 通常流動寄与の慣性モーメントは I^n/I_c = (f^n_xx ω_x² + f^n_yy ω_y²)/(ω_x² + ω_y²) で与えられ、励起状態への和則から導出される。
• 全慣性モーメントは超流動および通常流動寄与の和であり、超流動寄与は異方的 f^sf_ij およびフレーム変換の順序に特異的に依存する。