[논문 리뷰] Emergence of turbulence in an oscillating Bose-Einstein condensate

E. A. L. Henn, J. A. Seman외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 04. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 자석 트랩에 갇힌 87Rb 보즈아인슈타인 응축체에 진동하는 자기장을 적용하여 양자 난류가 어떻게 나타나는지를 실험적으로 입증한다. 이는 양자화된 비틀림의 난잡한 구조를 유도하기 때문이다. 주요 발견은 자유 팽창 중에 일반적인 축비 반전 현상이 억제되는 것으로, 난류 상태의 구름는 초기 이방성 형태를 유지한다. 이는 일반 BEC나 열기체와는 다를 만한 새로운 유체역학적 상태를 나타내며, 초냉각 원자계에서의 양자 난류에 대한 새로운 서명을 제시한다.

ABSTRACT

We report on the experimental observation of vortices tangle in an atomic BEC of Rb-87 atoms when an external oscillatory perturbation is introduced in the trap. The vortices tangle configuration is a signature of the presence of a turbulent regime in the cloud. We also show that this turbulent cloud has suppression of the aspect ratio inversion typically observed in quantum degenerate bosonic gases during free expansion. Instead, the cloud expands keeping the ratio between their axis constant. Turbulence in atomic superfluids may constitute an alternative system to investigate decay mechanisms as well as to test fundamental theoretical aspects in this field.

연구 동기 및 목표

• 간단한 원자 보즈아인슈타인 응축체에서 양자 난류를 실험적으로 관측하는 것.
• 자유 팽창 중에 난류 상태의 양자 유체의 유체역학적 거동을 조사하는 것.
• 일반 BEC나 열기체의 팽창 거동과 다름을 보이는 양자 난류의 고유한 서명을 식별하는 것.
• 비틀림의 난잡한 배열이 초냉각 양자 유체의 집단적 팽창 거동에 미치는 영향을 탐구하는 것.

제안 방법

• 1–2×10⁵개의 원자를 포함한 87Rb 보즈아인슈타인 응축체를, 횡방향 및 축방향 진동수 ωᵣ = 2π×210 Hz 및 ωₓ = 2π×23 Hz인 시가리형 자기 트랩에 준비하였다.
• 트랩 축과 기울어진 반-헬름홀츠 코ils를 통해 진동하는 자기장을 적용하여, 200 Hz 주파수와 최대 190 mG/cm 기울기를 가진 시간에 따라 변하는 2차 모멘트장이 생성되었다.
• 진동은 20–60 ms 동안 지속되었으며, 방향 전환 없이 0에서 최대값으로의 프로파일을 취하여 응축체에 비균일한 교란을 유도하였다.
• 20 ms 지연 후에 구름는 해제되었고, 흡수 영상 기법을 통해 비틀림의 구조와 팽창 거동이 관측되었다.
• 흡수 영상에서 비틀림 핵과 비틀림 선의 비균일하고 불규칙한 분포를 통해 비틀림의 난잡한 배열이 확인되었다.
• 자유 팽창 중 축비의 변화를 정량적으로 분석하여, 일반 BEC와 난류 상태의 샘플 간의 표준 양자 또는 열 거동과의 이격을 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간단한 원자 보즈아인슈타인 응축체에서 양자 난류를 실험적으로 생성하고 관측할 수 있는가?
• RQ2 자유 팽창 중에 난류 상태의 양자 유체와 일반 BEC 또는 열기체를 구분하는 데 사용할 수 있는 유체역학적 서명은 무엇인가?
• RQ3 비틀림의 난잡한 배열이 비난류 상태의 BEC에서 관찰되는 일반적인 축비 반전 현상을 억제하는가?
• RQ4 비틀림의 난잡한 배열이 유도하는 무작위 유속장이 초유체의 집단적 팽창 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 축비 반전의 억제는 초냉각 원자계에서의 양자 난류를 진단하는 데 유용한 서명이 될 수 있는가?

주요 결과

• 진동하는 자기장의 적용으로 응축체 전반에 비균일하게 분포한 양자화된 비틀림의 난잡한 배열이 생성되어, 양자 난류의 발생이 확인되었다.
• 난류 상태의 구름는 자유 팽창 중에 축비 반전 현상이 억제되어 초기 이방성 형태를 팽창 전반에 걸쳐 유지하였다.
• 일반 BEC는 시가리형에서 패티형으로 변하는 반면, 열기체는 단위 축비에 도달하지만, 난류 상태의 구름는 일정한 축비를 유지하였다.
• 긴 시간에 걸쳐 난류 상태의 구름의 팽창이 현저히 크며, 이는 비틀림 재연결과 가능한 에너지 확산 과정에 의한 에너지 소산을 시사한다.
• 축비 반전이 없는 것은 원자 초유체에서의 양자 난류에 대한 새로운 유체역학적 서명으로 해석된다.
• 이러한 거동은 비틀림의 난잡한 배열이 생성하는 무작위 속도장으로 인해 본질적으로 다른 유동 상태에 해당하며, 양자 난류에서 에너지 소산의 새로운 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.