[論文レビュー] Torque And Angular-momentum Transfer In Merging Rotating Bose-einstein Condensates

Toshiaki Kanai, Wei Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 48被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、回転するボーズ＝アインシュタイン凝縮体（BEC）が合体する際、界面に自発的に形成されるソリトン的「くちばし」構造を通じて、角運動量の転送が新たなメカニズムで実現されることを明らかにした。古典的流体とは異なり、この転送は流体の対流や渦の移動を伴わず、むしろ「くちばし」ソリトンが直接的にトルクを及けることで生じる。このトルクにより、静的BECでは角運動量が生成され、回転するBECでは角運動量が消失する。転送速度は初期の角運動量密度に普遍的に比例する。

ABSTRACT

When rotating classical fluid drops merge together, angular momentum can be advected from one to another due to the viscous shear flow at the drop interface. It remains elusive what the corresponding mechanism is in inviscid quantum fluids such as Bose-Einstein condensates (BECs). Here we report our theoretical study of an initially static BEC merging with a rotating BEC in three-dimensional space along the rotational axis. We show that a solitonlike sheet, resembling a corkscrew, spontaneously emerges at the interface. Rapid angular momentum transfer at a constant rate universally proportional to the initial angular-momentum density is observed. Strikingly, this transfer does not necessarily involve fluid advection or drifting of the quantized vortices. We reveal that the corkscrew structure can exert a torque that directly creates angular momentum in the static BEC and annihilates angular momentum in the rotating BEC. Uncovering this intriguing angular momentum transport mechanism may benefit our understanding of various coherent matter-wave systems, spanning from atomtronics on chips to dark matter BECs at cosmic scales.

研究の動機と目的

• 粘性が存在しない状況における、合体する量子流体における角運動量輸送を理解すること。
• 回転するボーズ＝アインシュタイン凝縮体（BEC）における、対流に依存しないメカニズムによる角運動量転送を同定すること。
• トポロジカルな欠陥およびソリトン的構造がBEC合体時の運動量交換をどのように媒介するかを調査すること。
• 回転するBECと静的BECの3次元的合体ダイナミクスを、回転軸に沿ってモデル化およびシミュレーションすること。
• 中性子星やダークマター銀河団のような天体的系に関連するメカニズムを確立すること。

提案手法

• 3次元で次元なしのグロス＝ピタエフソフ方程式（GPE）を4次ルンゲ＝クッタ法を用いて時間積分で数値的に解く。
• 初期基底状態を生成するため、虚時間発展を用いる。この状態には量子化済み渦線が含まれる。
• 円筒対称のハードウォールトラップを導入し、初期状態で2つのBECを分離するための可変ポテンシャルバリアを設ける。
• t=0でポテンシャルバリアを即座に除去し、合体ダイナミクスを開始する。
• 空間分解能△x=△y=△z=0.2、時間ステップ△t=4×10−5でシミュレーションを実行する。
• 時間経過に伴う波動関数位相、密度、角運動量の変化を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元的量子流体において、合体する回転BECと静的BECの界面にどのような流れ構造が形成されるか？
• RQ2 粘性によるせん断力や流体の対流が存在しない状況で、合体するBEC間の角運動量はどのように転送されるか？
• RQ3 渦の移動や質量輸送なしに、ソリトン的構造が直接的にトルクを介して角運動量を伝達できるか？
• RQ4 角運動量転送速度は、初期の角運動量密度に普遍的に比例するか？
• RQ5 ソリトン的「くちばし」は、それぞれの凝縮体において角運動量をどのように生成・消失させるか？

主な発見

• 3次元的BECの合体界面に、ソリトン的「くちばし」構造が自発的に形成される。
• 角運動量の転送は、回転BECの初期角運動量密度に普遍的に比例する一定速度で進行する。
• 流体の対流や量子渦の移動を伴わないことから、直接的トルクメカニズムであることが示唆される。
• 「くちばし」ソリトンがトルクを及けることで、初期的には静的であったBECに角運動量が生成され、回転するBECでは角運動量が消失する。
• ソリトンの位相構造により、界面に持続的な位相ステップが生じ、その孤立性および運動量転送における役割が裏付けられる。
• このメカニズムは頑健であり、合体する中性子星やダークマター銀河団のような天体的系における角運動量交換を規定する可能性を秘めている。