[論文レビュー] Quantised superflow glitches in an annular Bose-Einstein condensate

Stuart Moulder, Scott Beattie+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、トポロジカル電荷が最大 q=10 に達するように光的にスーパー電流をインプリントすることで、リング形状のボーズ＝アインシュタイン凝縮体における量子化されたスーパー流れのグルーチェスを調査した。干渉計的および運動的検出法を用いて、最大1分間のメタ安定的 q=3 スーパー流れを観測し、整数 q 値間の遷移に対応する離散的かつ確率的な位相スリップイベントを解明した。これは、状態検出のフィデリティが99%以上であることを示し、臨界速度の上でも下でも位相スリップのダイナミクスを明らかにした。

ABSTRACT

We study the metastability and decay of multiply-charged superflow in a ring-shaped atomic Bose-Einstein condensate. Supercurrent corresponding to a giant vortex with topological charge up to q=10 is phase-imprinted optically and detected both interferometrically and kinematically. We observe q=3 superflow persisting for up to a minute and clearly resolve a cascade of quantised steps in its decay. These stochastic decay events, associated with vortex-induced $2 \pi$ phase slips, correspond to collective jumps of atoms between discrete q values. We demonstrate the ability to detect quantised rotational states with > 99 % fidelity, which allows a detailed quantitative study of time-resolved phase-slip dynamics. We find that the supercurrent decays rapidly if the superflow speed exceeds a critical velocity in good agreement with numerical simulations, and we also observe rare stochastic phase slips for superflow speeds below the critical velocity.

研究の動機と目的

• リング形状のボーズ＝アインシュタイン凝縮体における多重電荷を有するスーパー流れのメタ安定性および崩壊ダイナミクスを調査すること。
• ボーアスの誘導する2π位相スリップに関連する、電流の量子化された崩壊ステップを観測し、特徴づけること。
• 時間分解能を有する解析が可能な、スーパー流れの離散的回転状態の高精度検出を達成すること。
• スーパー流れの崩壊の開始を決定づける臨界速度閾値をテストし、亜臨界位相スリップイベントを検討すること。

提案手法

• トポロジカル電荷 q が最大10に達するスーパー電流が、リング形状のボーズ＝アインシュタイン凝縮体に光的に位相インプリントされた。
• 干渉計的および運動的検出法を用いて、スーパー電流およびその崩壊ダイナミクスを測定した。
• 量子化された位相スリップは、q 値間の離散的ジャンプとして特定され、回転状態間の集団的原子移動を示している。
• システムのスーパー電流速度を変化させ、急速な崩壊を引き起こす臨界速度閾値をテストした。
• 実験的観測と比較するため、数値シミュレーションが用いられた。
• 高精度な状態検出（>99%）により、位相スリップイベントの正確な時間分解追跡が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル電荷 q=3 を有するスーパー流れが、リング形状のボーズ＝アインシュタイン凝縮体でどれだけの期間、メタ安定的であるか？
• RQ2 量子化された位相スリップは、スーパー流れのトポロジカル電荷の離散的ジャンプとしてどのように現れるか？
• RQ3 臨界速度が、急速なスーパー流れの崩壊の開始を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 スーパー流れ速度が臨界速度未満であっても、確率的位相スリップが観測されるか？
• RQ5 スーパー流れの離散的回転状態は、どの程度の高精度で検出可能か？

主な発見

• q=3 スーパー流れ状態は最大1分間持続し、強いメタ安定性を示した。
• 連続する離散的かつ量子化された位相スリップイベントが明確に解明され、整数 q 値間の遷移に対応した。
• 位相スリップは、ボーアス誘導の2π位相スリップに関連し、回転状態間の集団的原子移動を表している。
• スーパー電流速度が臨界速度を超えると、急速に崩壊し、数値シミュレーションと整合した。
• 臨界速度未満であっても、まれな確率的位相スリップが観測され、亜臨界崩壊メカニズムが示された。
• 量子化された回転状態は99%を超えるフィデリティで検出可能であり、位相スリップダイナミクスの正確な時間分解研究が可能になった。