[論文レビュー] Quantum Phase Transitions of Bilayer Spin-orbit Coupled Bose-Einstein Condensates

Qing Sun, Lin Wen+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、レーザー補助層間トンネル効果を用いて二層ボーズ・アインシュタイン凝縮系における有効な二次元スピン軌道結合（SOC）を実現する手法を提案する。トンネル効果、SOC、および原子間相互作用の相互作用が、時間反転対称性を破る新規ストライプ相へと量子相転移を引き起こし、分数化スキューマイオン格子を実現する。四重臨界点では、4つの異なる相が一点に合流する。

ABSTRACT

Motivated by a goal of realizing spin-orbit coupling (SOC) beyond one-dimension (1D), we propose and analyze a method to generate an effective 2D SOC in bilayer BECs with laser-assisted inter-layer tunneling. We show that an interplay between the inter-layer tunneling, SOC and intra-layer atomic interaction can give rise to diverse ground state configurations. In particular, the system undergoes a transition to a new type of stripe phase which spontaneously breaks the time-reversal symmetry. Different from the ordinary Rashba-type SOC, a fractionalized skyrmion lattice emerges spontaneously in the bilayer system without external traps. Furthermore, we predict the occurrence of a tetracritical point in the phase diagram of the bilayer BECs, where four different phases merge together. The origin of the emerging different phases is elucidated.

研究の動機と目的

• 1次元系を超えてスピン軌道結合を拡張するため、二層ボーズ・アインシュタイン凝縮系において有効な2次元SOCを実現すること。
• 層間トンネル効果、スピン軌道結合、および層内相互作用の相乗効果が基底状態相を決定する仕組みを解明すること。
• 外部トラップが存在しない状況下で、時間反転対称性を破る新規量子相を同定すること。
• 相図をマッピングし、複数の相が共存する多重臨界点を特定すること。

提案手法

• 超低温原子の2層間におけるレーザー補助トンネル効果を用いて、有効な2次元スピン軌道結合を設計する。
• 層間トンネル効果、ラシバ型SOC、および接触相互作用を含む平均場ハミルトニアンを用いて系をモデル化する。
• 変分法および数値的手法を用いて基底状態波動関数および相図を解く。
• 基底状態の対称性を分析し、時間反転対称性の破れを検出する。
• スピン配置における分数化スキューマイオン格子の出現をもってしてトポロジカル秩序を同定する。
• 相図をマッピングし、4つの異なる相が一点に合流する四重臨界点を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー補助トンネル効果を用いて、二層ボーズ・アインシュタイン凝縮系において有効な二次元スピン軌道結合を実現できるか？
• RQ2 層間トンネル効果、スピン軌道結合、および原子間相互作用の競合によって、どのような新規量子相が出現するか？
• RQ3 この系は自発的な時間反転対称性の破れを示すか。その条件は何か？
• RQ4 外部トラップが存在しない状況でも、分数化スキューマイオン格子は出現するか？
• RQ5 相図に、4つの異なる量子相が合流する四重臨界点が存在するか？

主な発見

• 層間トンネル効果、スピン軌道結合、および相互作用の相乗効果により、時間反転対称性を自発的に破る新規ストライプ相が出現する。
• 外部トラップや磁場が存在しない状況下でも、分数化スキューマイオン格子が基底状態のスピン構造として実現される。
• 相図に四重臨界点が特定され、4つの異なる量子相が一点に合流する。
• 異なる相の出現は、スピン軌道結合、トンネル幅、相互作用強度の競合によって駆動される。
• 相図は、トポロジカル相と対称性が破れた相が臨界点で共存する複雑な構造を示している。