[論文レビュー] Spin and mass superfluidity in ferromagnetic spin-1 BEC

É. B. Sonin|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、フェロ磁性スピン-1ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）におけるスピンおよび質量超流動の性質を調査し、容易面および容易軸異方性の相転移において、ストリングの位相の上に制約を受けると、超流動が持続することを示している。Landau基準は、相転移において両方の超流動に対して不安定性を予測するが、質量超流動は、特定の型の渦（特異的でない、特殊な循環比を持つもの）が生じる位相スリップが完全な崩壊を引き起こさないため安定である。スカイメオン核の解析により、相転移にわたる臨界速度の変化が滑らかであることが確認された。

ABSTRACT

The paper investigates coexistence and interplay of spin and mass superfluidity in a ferromagnetic spin-1 BEC. Superfluidity is possible only in the presence of uniaxial anisotropy (linear and quadratic Zeeman effect). This follows from the topology of the order parameter space (vacuum manifold). According to the Landau criterion the critical phase gradients, both for mass and spin supercurrents, vanish at the phase transition from the easy-plane to the easy-axis anisotropy. However, it is argued that mass superfluidity is still possible at the phase transition. This is because the Landau criterion signals instability only with respect to nonsingular vortices with special ratio between circulations of mass and spin currents. Phase slips produced by these vortices are not sufficient for complete decay of supercurrents. Full decay of supercurrents requires phase slips with vortices of another topological class and another (larger) energy. The analysis of skyrmions forming cores of non-singular vortices shows that the critical gradients (velocities) for mass superfluidity smoothly vary across the phase transition and do not vanish or have any anomaly in the critical point.

研究の動機と目的

• フェロ磁性スピン-1 BECにおけるスピンおよび質量超流動の共存と相互作用を理解すること。
• 一軸異方性（線形および二次ゼーマン効果）が超流動の実現に果たす役割を分析すること。
• Landau基準が不安定性を予測するのに対し、質量超流動が相転移で持続するという見かけの矛盾を解明すること。
• 渦の位相的分類と、超流動の崩壊における位相スリップダイナミクスを調査すること。

提案手法

• 秩序パラメータ空間の真空多様体の位相的性質を分析し、超流動の成立条件を特定する。
• Landau基準を適用して、質量およびスピン超流動の臨界位相勾配を評価する。
• 位相的電荷および循環比に基づいて渦を分類し、超流動安定性に与える影響を評価する。
• スカイメオンを特異的でない渦の核として取り上げ、エネルギーおよび位相スリップダイナミクスを評価する。
• 位相的場理論を用いて、特異的および特異的でない渦のタイプを区別し、臨界エネルギー閾値を特定する。
• 容易面から容易軸への相転移にわたる超流動の崩壊の臨界勾配を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロ磁性スピン-1 BECにおいて、スピンおよび質量の超流動が共存する条件は何か？
• RQ2 Landau基準が不安定性を予測するにもかかわらず、なぜ質量超流動が相転移で持続するのか？
• RQ3 超流動の完全な崩壊を引き起こす位相的クラスの渦は何か？ そのプロセスを支配するエネルギースケールは何か？
• RQ4 特異的でない渦に含まれるスカイメオン構造は、質量超流動の臨界速度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 超流動の臨界位相勾配は、相転移点で特異性や不連続性を示すか？

主な発見

• スピンおよび質量超流動の両方が、一軸異方性（真空多様体の位相的性質に起因）が存在する場合にのみ成立する。
• Landau基準が不安定性を示すのは、質量およびスピン超流動の循環比が特定の値をとる特異的でない渦に対してのみである。
• これらの渦による位相スリップは、超流動の完全な崩壊を引き起こさず、相転移においても質量超流動が維持される。
• 超流動の完全な崩壊には、より高いエネルギーを持つ別の位相的クラスの渦が必要であり、それらはLandau基準では捉えられていない。
• 質量超流動の臨界位相勾配は、相転移にわたって滑らかに変化し、不連続性や特異性を示さない。
• 特異的でない渦におけるスカイメオン核構造は、超流動の臨界速度が転移点で有限かつ連続的であることを確認している。