[논문 리뷰] Itinerant magnetism in spin-orbit coupled Bose gases

Daniel L. Campbell, Rodney Price외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스핀-1 보즈아인슈타인 응축체에 스핀 궤도 결합(SOC)을 도입하여 이td성 자성체를 관찰한 것으로, SOC가 이동 가능한 원자로 구성된 시스템에서 자성 순서를 안정화시킴을 보여준다. 저자들은 두 매개변수의 상도도를 그려, 연속적인 두 번째 유형의 전이와 삼중임계점이 있는 첫 번째 유형의 전이를 관측하였으며, 준안정 상태를 확인하고 Hz 수준의 정밀도로 이론 결과와 일치함을 입증하였다.

ABSTRACT

Phases of matter are conventionally characterized by order parameters describing the type and degree of order in a system. For example, crystals consist of spatially ordered arrays of atoms, an order that is lost as the crystal melts. Like- wise in ferromagnets, the magnetic moments of the constituent particles align only below the Curie temperature, TC. These two examples reflect two classes of phase transitions: the melting of a crystal is a first-order phase transition (the crystalline order vanishes abruptly) and the onset of magnetism is a second- order phase transition (the magnetization increases continuously from zero as the temperature falls below TC). Such magnetism is robust in systems with localized magnetic particles, and yet rare in model itinerant systems where the particles are free to move about. Here for the first time, we explore the itinerant magnetic phases present in a spin-1 spin-orbit coupled atomic Bose gas; in this system, itinerant ferromagnetic order is stabilized by the spin-orbit coupling, vanishing in its absence. We first located a second-order phase transition that continuously stiffens until, at a tricritical point, it transforms into a first- order transition (with observed width as small as h x 4 Hz). We then studied the long-lived metastable states associated with the first-order transition. These measurements are all in agreement with theory.

연구 동기 및 목표

• 설계된 스핀 궤도 결합을 갖는 스핀-1 $^{87}$Rb 보즈아인슈타인 응축체에서 이td성 자성 순서를 연구하기 위해.
• 시스템의 상도도에서 첫 번째 및 두 번째 유형의 양자 상전이를 식별하고 특성화하기 위해.
• 첫 번째 유형 전이와 관련된 장수준 준안정 상태를 측정하고 이론 예측과 비교하기 위해.
• 전이 동역학을 Hz 수준에서 제어함으로써 키퍼-즈렉 물리학의 잠재적 실현 가능성을 보여주기 위해.
• 이중극 텐서장이 대칭 깨짐 스핀어 상을 안정화하는 데 수행하는 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 초미세 상태 간 주파수 선택적 라만 결합을 이용해 스핀-1 $^{87}$Rb 보즈아인슈타인 응축체에 설계된 스핀 궤도 결합을 구현함.
• 반대 방향으로 진행하는 레이저를 통해 공간적으로 주기적인 효과적 자장을 적용하여 주기 $\pi/k_R$를 갖는 나선형 제이만 필드를 실현함.
• 스핀 궤도 결합의 강도와 이중극 텐서장 $\Omega_2 \hat{F}_{zz}^{(2)}$ 를 조절하기 위해 라비 주파수 $\Omega_1$ 와 $\Omega_2$ 를 제어함.
• 상도도를 그려내기 위해 $\Omega_1$ 와 $\Omega_2$ 를 변화시키고 순서 매개변수로 자화 $M_z = \langle \hat{S}_z \rangle / \hbar$ 를 측정함.
• 시간에 따라 변화하는 쿠잉 동역학을 통해 매개변수 공간에서 곡선 경로를 따라 준안정 상태를 탐색함.
• 실험 데이터를 이론적 자유 에너지 경로 $G(M_z)$ 와 비교하여 첫 번째 및 두 번째 유형의 전이를 식별함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 궤도 결합이 있는 스핀-1 보즈가스에서, 일반적으로 이td성 시스템에서 자성이 약하기 때문에, 이td성 반도체 자성체가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 자화된 상과 자화되지 않은 상 사이의 상전이 성격은 첫 번째 유형인지 두 번째 유형인지이며, 이 둘은 어떻게 연결되는가?
• RQ3 쿠잉 동역학을 통해 첫 번째 유형 전이를 통과할 때 준안정 상태는 어떻게 발생하며, 이는 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ4 이중극 텐서장 $\hat{F}_{zz}^{(2)}$ 는 대칭 깨짐 스핀어 상을 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 두 번째 유형 전이가 첫 번째 유형 전이로 전이되는 삼중임계점이 존재하는가?

주요 결과

• 시스템은 두 번째 유형 전이를 보이며, 이는 삼중임계점에 도달할 때까지 점차 강성 증가를 보이다가, 그 지점에서 첫 번째 유형 전이로 전이되며, 측정된 폭은 최소 $4\ \text{Hz}$ 로 매우 좁음.
• 스핀 궤도 결합에 의해 자성 상이 안정화되며, SOC 강도 $\hbar k_R \to 0$ 가 되면 사라지므로, SOC가 이td성 자성체를 가능하게 하는 역할을 확인함.
• 준안정 상태는 실험적으로 관측되었고 $\Omega_1$ 와 $\Omega_2$ 의 다양한 값에서 매핑되었으며, 이론 예측과 $\Omega_1$ 에 대한 체계적 오차 $5\%$ 이내로 일치함.
• 측정된 상도도는 극성 스핀어 BEC에서 자성 나선형 BEC로의 연속적인 연결을 보이며, 두 번째 및 첫 번째 유형 전이 모두 존재함.
• 수치적 연구는 추가적인 텐서장($q = \pm1, \pm2$)을 도입할 경우, 새로운 대칭 깨짐 스핀어 상을 포함한 더 풍부한 상도도가 나타날 수 있음을 시사함.
• 첫 번째 유형 전이가 스핀에 의존하는 상호작용에 의해 수정되나, 이 효과들은 현재 $^{87}$Rb에서의 해상도 한계 이하로 작아 측정이 어려움.