[논문 리뷰] Effect of Rashba spin-orbit and Rabi couplings on the excitation spectrum of binary Bose-Einstein condensates

Rajamanickam Ravisankar, Henrique Fabrelli외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 76인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 라슈바 스핀-오르빗 결합과 라비 결합을 갖는 준2차원 이원 밀도 보즈아인슈타인 응축체의 집합적 진동 스펙트럼과 동적 안정성에 대해 보골리우브-드 제네스(BdG) 이론을 사용하여 분석한다. 라슈바 결합을 증가시키면 시스템이 불안정해지지만, 라비 결합은 시스템을 안정화시키며, 로프톤 최소값의 깊이는 결합 강도에 매우 민감하게 의존한다. 이는 BdG 고유스펙트럼과 직접적인 GPE 시뮬레이션을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

We present the collective excitation spectrum analysis of binary Bose-Einstein condensates (BECs) with spin-orbit (SO) and Rabi couplings in a quasi-two-dimensional system. In particular, we investigate the role of SO and Rabi coupling strengths in determining the dynamical stability of the coupled BECs using Bogoliubov-de Gennes (BdG) theory. Using the eigenergy of BdG spectrum, we confirm the existence of phonon, roton, and maxon modes with weak repulsive intra- and inter-species contact interactions. The depth of the minimum corresponding to the roton mode depends strongly on the coupling strength. We find that the increase of the SO coupling leads to instability, while the increase in the Rabi coupling stabilizes the system. Also the eigenvectors of BdG spectrum indicates the presence of density like mode in the stable regime and spin like modes in unstable regimes. A phase diagram demonstrating the stability regime in the plane of SO and Rabi coupling strengths is obtained. Finally, we complement the observation of the excitation spectrum with the direct numerical simulation results of coupled Gross-Pitaevskii equations.

연구 동기 및 목표

• 준2차원에서 스핀-오르빗 및 라비 결합이 있는 이원 보즈아인슈타인 응축체의 동적 안정성을 분석하는 것.
• 라슈바 스핀-오르빗 결합과 라비 결합 간의 상호작용이 진동 모드와 시스템 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 상호작용 및 결합 강도를 변화시킬 때 발생하는 포논, 로프톤, 맥스온 모드의 존재를 규명하는 것.
• 라슈바-라비 결합 강도 평면에서 안정 영역을 매핑하는 단계도를 구성하는 것.
• BdG 결과를 연속된 거시적 골드스타인-피타에브스키 방정식 시뮬레이션으로 검증하는 것.

제안 방법

• 두 성분의 BEC에 라슈바 스핀-오르빗 결합과 라비 결합을 포함한 평균장 해밀토니안을 수립한다.
• 차원이 없는 형태로 표현된 연속된 골드스타인-피타에브스키 방정식에서 단일 입자 분산 관계를 유도한다.
• 보골리우브-드 제네스(BdG) 이론을 적용하여 진동 스펙트럼을 계산하고 고유에너지와 고유벡터를 통해 안정성을 분석한다.
• BdG 고유스펙트럼을 사용하여 포논, 로프톤, 맥스온 모드를 식별하고 결합 매개변수에 따른 변화를 추적한다.
• 지속적인 수치적 시뮬레이션을 통해 연속된 골드스타인-피타에브스키 방정식을 풀어 BdG 예측의 기초가 되는 안정성 분석을 검증한다.
• 라슈바 및 라비 결합 강도를 스캔하여 안정 및 불안정 영역을 매핑함으로써 단계도를 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라슈바 스핀-오르빗 결합은 준2차원 이원 BEC의 동적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 라비 결합은 시스템을 안정화하거나 불안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 스핀-오르빗 및 라비 결합 강도를 변화시킬 때 진동 모드(포논, 로프톤, 맥스온)는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 로프톤 최소값의 깊이는 어떤 결합 매개변수에 의존하는가?
• RQ5 BdG 스펙트럼의 고유벡터는 안정 및 불안정 상태에서 집합적 모드의 성격을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 라슈바 스핀-오르빗 결합 강도를 증가시키면 이원 BEC 시스템에서 동적 불안정성이 발생한다.
• 라비 결합은 라슈바 결합의 불안정성 영향을 상쇄하여 시스템을 안정화시킨다.
• 진동 스펙트럼에서 로프톤 최소값의 깊이는 라슈바 및 라비 결합 강도에 매우 민감하게 의존한다.
• 안정 영역에서는 BdG 고유벡터가 밀도 유사 모드를 보이며, 불안정 영역에서는 스핀 유사 모드가 지배한다.
• 라슈바-라비 결합 강도 평면에서의 단계도는 명확하게 안정 영역을 구분한다.
• 연속된 골드스타인-피타에브스키 방정식의 직접 시뮬레이션은 BdG 기반의 안정성 분석과 진동 스펙트럼 특성을 확인한다.