[論文レビュー] Stability of persistent currents in open-dissipative quantum fluids

Guangyao Li, M. D. Fraser+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Strong Light-Matter Interactions被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、平均場的非保存的グロス＝ピタエフスキー方程式を用いて、光誘起アンビエントトラップに閉じ込められたオープン・散逸的励起子極子凝縮系における持続的電流の安定性を調査する。振動的動的不安定性が超電流の崩壊やスイッチングを引き起こす一方で、内部の増幅および損失メカニズムにより伝統的なランダウ基準が破られるにもかかわらず、高角運動量を持つ準安定的持続的電流は、パラメータ空間の広い領域で無期限に存続可能であることが示された。

ABSTRACT

The phenomenon of stable persistent currents is central to the studies of superfluidity in a range of physical systems. While all of the previous theoretical studies of superfluid flows in annular geometries concentrated on conservative systems, here we extend the stability analysis of persistent currents to open-dissipative exciton-polariton superfluids. By considering an exciton-polariton condensate in an optically-induced annular trap, we determine stability conditions for an initially imposed flow with a non-zero orbital angular momentum. We show, theoretically and numerically, that the system can sustain metastable persistent currents in a large parameter region, and describe scenarios of the supercurrent decay due to the dynamical instability.

研究の動機と目的

• 保存的超流動体に限らない持続的電流の安定性解析を、オープン・散逸的励起子極子系へと拡張すること。
• 非平衡的でオープンな散逸的量子流体において、量子化された循環がどのように維持可能かを特定すること。
• 環状極子凝縮系における動的（モジュレーション）不安定性とエネルギー的不安定性の相乗的相互作用を調査すること。
• 実験的に実現可能な光トラップを用いた極子系において、持続的電流の観測可能性を評価すること。

提案手法

• 励起子的貯留層のレート方程式と結合した次元なしの散逸的グロス＝ピタエフスキー方程式を用いて、極子凝縮体をモデル化する。
• 角運動量を凝縮体に伝達しないように、ラゲール＝ガウス型ポンプビームを用いてアンビエント型トラップポテンシャルを生成する。
• 時間に依存しない解として、固定された軌道的角運動量 m を持つ定常状態解を解析する。
• 定常状態の微小摂動に対する線形安定性解析を用い、モジュレーション不安定性（MI）の増幅率を特定する。
• 数値的時間発展シミュレーションを実施し、摂動下での電流の崩壊、スイッチング、または回復を観測する。
• 増幅および損失を考慮した非ゼロの実部を有する励起スペクトルを反映させた、エネルギー的安定性のランダウ基準の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープン・散逸的量子流体において、非ゼロの軌道的角運動量を持つ持続的電流がどのように動的安定性を保てるか。
• RQ2 増幅、損失、非線形相互作用の相乗的影響が、極子凝縮系における超電流の寿命にどのように作用するか。
• RQ3 非平衡的で散逸的系において、伝統的なランダウ基準がどの程度崩壊するか。
• RQ4 このような系における持続的電流の崩壊やスイッチングを引き起こすメカニズムは何か。
• RQ5 動的不安定性が存在するパラメータ領域において、準安定的超電流が無期限に維持可能か。

主な発見

• 高角運動量を持つ持続的電流は、振動的動的不安定性に起因して、崩壊または新たな定常状態へのスイッチングを示す。
• 特に m ≪ m_ds の領域では、持続的電流は動的安定性を保ち、中程度の摂動に対しても存続可能である。
• 最大不安定性増幅率 Γ が不安定性発展の閾値未満である限り、無期限に存続可能な準安定的超電流が観測される。
• 励起スペクトルの負エネルギー寄与によりランダウ基準が形式的に破られるにもかかわらず、非MI領域では励起の指数的減衰によりエネルギー的不安定性が抑制される。
• 数値的シミュレーションにより、II領域（m_ds > 0）では不安定性誘発スイッチング後に系が動的回復し、新たな安定状態に到達することが確認された。一方、I領域（m_ds = 0）では崩壊が不可逆的である。
• 安定から不安定への遷移は広範かつ滑らかであり、不安定領域では最大不安定性増幅率 max(Γ) が崩壊率を決定する。