[논문 리뷰] Anomalous thermoelectric transport in two-dimensional Bose gas

E.L. Hazlett, Li-Chung Ha외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 17.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 20인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 약한 3체 재결합에 의해 구동되는 2차원 초냉각 보우스 가스에서 열전도성 운반 성질—특히 시브크 계수와 로렌츠 수—를 추출하기 위한 새로운 현장 내 영상 방법을 제안한다. 이는 정상 상태에서의 시브크 계수가 양성에서 초유체 상태에서 음성으로의 부호 변화를 포함한 이례적인 거동를 드러내며, 이는 열 흐름에 반대하는 초유체의 반대 흐름을 나타낸다.

ABSTRACT

In condensed matter physics, transport measurements are essential not only for the characterization of materials, but also to discern between quantum phases and identify new ones. The extension of these measurements into atomic quantum gases is emerging and will expand the scope of quantum simulation and atomtronics. To push this frontier, we demonstrate an innovative approach to extract transport properties from the time-resolved redistribution of the particles and energy of a trapped atomic gas. Based on the two-dimensional (2D) Bose gas subject to weak three-body recombination we find clear evidence of both conductive and thermoelectric currents. We then identify the contributions to the currents from thermoelectric forces and determine the Seebeck coefficient (a.k.a. thermopower) and Lorenz number, both showing anomalous behavior in the fluctuation and superfluid regimes. Our results call for further exploration of the transport properties, particularly thermoelectric properties, of atomic quantum gases.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자 가스의 시간에 따라 변화하는 현장 내 영상에서 운반 계수를 추출하는 방법을 개발하기 위해.
• 정상, 변동, 초유체 영역을 모두 포함한 2차원 보우스 가스에서의 열전도성 운반을 특성화하기 위해.
• 양자 비탄성 보우스 가스에서의 시브크 계수와 로렌츠 수를 측정하고, 양자 상전이 근처에서의 행동을 평가하기 위해.
• 초냉각 원자를 양자 시뮬레이터로 사용하여 강한 상관관계가 있는 양자 시스템에서 선형 반응 운반 이론의 타당성을 시험하기 위해.

제안 방법

• 밀도 분포의 꼬리 부분에 적합을 통해 중심 화학포텐셜 μ₀(t)와 온도 T(t)를 추출하기 위해 현장 밀도 프로파일을 사용한다.
• 상태방정식을 적용하여 측정된 밀도 프로파일로부터 에너지 밀도 분포 e(r,t)를 재구성한다.
• 3체 재결합 손실을 sₚ = -k n³로 모델링하고, 경계 조건을 통해 k를 결정하여 연속 방정식을 사용해 입자 흐름 jₚ(r,t)를 계산한다.
• 에너지 소스 항 sₑ를 3BR 가열에서 유래한 연속 방정식을 사용해 에너지 흐름 jₑ(r,t)를 유도한다.
• 선형 반응 이론을 사용해 흐름 jₚ와 jₑ를 열역학적 힘 fₚ = -∇(μ/T)과 fₑ = ∇(1/T)으로 분해한다.
• 선형 분해와 온세거 상호관계를 통해 운반 계수—특히 시브크 계수 ℒ과 로렌츠 수 ℒ—를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변화하는 초냉각 원자 가스의 현장 내 영상에서 시브크 계수와 로렌츠 수와 같은 운반 계수를 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ2 2차원 보우스 가스에서 정상 상태에서 초유체 상태로의 전이 영역에서 시브크 계수의 행동은 어떠한가?
• RQ3 2차원 보우스 가스의 변동 영역과 초유체 영역에서 로렌츠 수는 일정하게 유지되거나 이례적인 행동을 보일까?
• RQ4 초냉각 원자 가스에서의 열전도성 운반은 온도 기울기의 반대 방향으로 흐르는 초유체의 반대 흐름과 같은 서명을 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 초유체 영역에서 시브크 계수가 음성으로 변하며, 화학포텐셜 기울기 없이도 초유체가 냉각된 영역에서 뜨거운 영역으로 흐르는 것으로 나타난다.
• 시브크 계수의 부호 변화는 약 ˜μ = 0.53(10)에서 초유체 전이점 근처에서 발생하며, ⁴He의 분수 효과와 유사한 초유체 반대 흐름을 나타낸다.
• 로렌츠 수는 유체역학 영역에서는 양성으로 유지되지만 초유체 상에서는 부드럽게 감소하며, 실험적 오차가 크기 때문에 점점 줄어드는 행동을 정밀하게 특성화하기 어려운 상황이다.
• 3체 재결합 손실 계수는 k = 1.34(8)×10⁻¹⁸ cm⁻⁴s⁻¹로 측정되어 3BR가 주요 손실 메커니즘이라는 것을 확인한다.
• 입자 흐름은 손실으로 인해 중심 영역에서 내향 흐름을 보이고, 밀도 꼬리 영역에서는 가열로 인해 외향 흐름을 보이며, 도전성 및 열전도성 전류가 공존함을 보여준다.
• 변동 영역과 초유체 영역에서 시스템은 유체역학적 성질을 띠며(약 l ≈ 1–5 μm), 선형 반응 운반 이론의 적용이 타당함을 검증한다.