[논문 리뷰] Dimensional crossover in the superfluid-supersolid quantum phase transition

Giulio Biagioni, Nicolò Antolini외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 47인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 일렬로 배열된 디폴라르 보즈-아인슈타인 응축체에서 초유체-초결정물 양자상전이를 실험적으로 및 이론적으로 조사하며, 시스템 기하학이 1차원에서 2차원으로 변화함에 따라 연속적(이阶 전이)에서 비연속적(일阶 전이) 전이로의 부드러운 차원 교차를 보여준다. 전이 특성은 횡방향 구속과 원자 수에 의해 제어되며, 연속적 전이가 원자 진동 없이 초결정물을 가능하게 하며, 랑드-테오리와 수치 시뮬레이션을 통해 실험적 에너지 역학과 일치함을 검증한다.

ABSTRACT

We assess experimentally and theoretically the character of the superfluid-supersolid quantum phase transition recently discovered in trapped dipolar quantum gases. We find that one-row supersolids can have already two types of phase transitions, discontinuous and continuous, that are reminiscent of the first- and second-order transitions predicted in the thermodynamic limit in 2D and 1D, respectively. The smooth crossover between the two regimes is peculiar to supersolids and can be controlled via the transverse confinement and the atom number. We justify our observations on the general ground of the Landau theory of phase transitions. The quasi-adiabatic crossing of a continuous phase transition opens new directions of investigation for supersolids.

연구 동기 및 목표

• 일렬로 배열된 디폴라르 초결정물에서 초유체-초결정물 양자상전이의 특성(연속적 또는 비연속적)을 규명하는 것.
• 차원 변화, 횡방향 구속, 원자 수 변화에 따라 전이 유형이 어떻게 변화하는지 조사하는 것.
• 동일한 시스템에서 이전 실험 관측 결과 간의 모순된 첫째 및 둘째 계급 전이 관측을 해소하는 것.
• 연속적 전이를 통해 준가역적, 진동 없는 초결정물을 구현할 수 있는지 탐색하는 것.
• 제어된 램프 조건 하에서 거시적 피타예프스크리 방정식의 수치 시뮬레이션을 사용해 실험 결과를 검증하는 것.

제안 방법

• 조절 가능한 디폴라르 상호작용과 횡방향 구속을 가진 길쭉한 함에서 일렬로 배열된 디폴라르 초결정물을 실험적으로 실현하는 것.
• 산란 길이에 따른 팽창 에너지 측정을 통해 에너지 불연속성 또는 부드러운 변화를 통해 상전이 특성을 탐지하는 것.
• 원자 수 변동을 보정하기 위해 선형 회귀를 사용해 원시 에너지 데이터를 재스케일링하여 부분 집합 간 비교를 가능하게 하는 것.
• FFT 분할단계 방법을 사용해 거시적 피타예프스크리 방정식을 수치적으로 해결하여 느린 램프 동안의 동역학을 시뮬레이션하는 것.
• 시뮬레이션에서 느린 램프 속도(0.06 a₀/ms)를 사용해 준가역적 상전이를 모의하고, 실험에서 더 빠른 램프와 대비하는 것.
• 시뮬레이션에서 히스테리시스와 집단 모드 진동을 분석하여 실험적 에너지 및 모드 행동과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일렬로 배열된 디폴라르 초결정물에서 초유체-초결정물 양자상전이가 시스템 기하학에 따라 연속적 및 비연속적 특성을 모두 나타낼 수 있는가?
• RQ2 횡방향 구속에 의해 1차원에서 2차원으로 조절될 때 전이 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 디폴라르 초결정물의 군집적 성질이 유한 체적 효과를 얼마나 억제하고, 본질적인 전이 유형 관측을 얼마나 가능하게 하는가?
• RQ4 연속적 전이가 준가역적 방식으로 실험적으로 접근 가능하여 진동 없는 초결정물을 만들 수 있는가?
• RQ5 거시적 피타예프스크리 방정식의 수치 시뮬레이션은 상전이 통과 시 실험적 에너지 및 모드 역학과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 초유체-초결정물 전이가 1차원에서 2차원으로 시스템이 변화함에 따라 연속적(이계급) 전이에서 비연속적(일계급) 전이로의 부드러운 차원 교차를 보이며, 결정화 전이의 열역학 예측을 반영한다.
• 비연속적 전이가 실제로 1차원 격자일 것처럼 보일지라도, 초결정물의 본질적인 2차원 밀도 배경으로 인해 지속될 수 있으며, 이는 이전의 모순된 관측 결과를 설명한다.
• 전이 특성은 횡방향 구속과 원자 수에 의해 제어 가능하며, 연속적 및 비연속적 영역 간의 조절이 가능하다.
• 연속적 전이가 준가역적 통과를 가능하게 하며 최소한의 진동을 유도함을 관측하여, 진동 없는 초결정물 제작 가능성에 기여한다.
• 느린 램프(0.06 a₀/ms)를 사용한 수치 시뮬레이션은 팽창 중 에너지 증가 및 집단 모드 진동의 실험 경향을 재현하며, 다양한 전이 유형 해석을 뒷받침한다.
• 비연속적 전이의 시뮬레이션에서 약 0.5 a₀의 히스테리시스가 확인되어 일계급 특성이 존재함을 확인하며, 실험적 에너지 이상 현상과 일치한다.