[논문 리뷰] Long lifetime supersolid in a two-component dipolar Bose-Einstein condensate

Shaoxiong Li, Uyen Ngoc Le외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 18.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 73인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 레이-황-양(Lee-Huang-Yang, LHY) 보정에 의존하지 않고 장수명 초고체를 안정화하기 위해 이중성분 이중자극 보즈아인슈타인 응축(166Er-87Rb)을 제안한다. LHY 보정은 높은 원자 밀도와 삼체 재결합으로 인해 수명이 짧아지는 경향이 있다. 트랩 중심 이격도(δ)를 조절함으로써 드롭렛 간 조지프슨 결합이 가능해지며, 이로 인해 비상동 급격한 골드스톤 모드가 발생하고, 효과적 밀도와 이중자극 상호작용 강도가 감소하여 원자 손실이 억제된다.

ABSTRACT

Recent studies on supersolidity in a single-component Bose-Einstein condensate (BEC) have relied on the Lee-Huang-Yang (LHY) correction for stabilization of self-bound droplets, which however involves a high density inside the droplets, limiting the lifetime of the supersolid. Here we propose a two-component mixture of dipolar and nondipolar BECs, such as an $^{166}$Er-$^{87}$Rb mixture, to create and stabilize a supersolid without the LHY correction, which can suppress the atomic loss and may allow observation of the long-time dynamics of the supersolid. In such a system, supersolidity can be controlled by the difference in the trap centers between the two components.

연구 동기 및 목표

• 고체 밀도와 삼체 재결합으로 인해 수명이 짧아지는 LHY 보정에 의해 안정화되는 초고체의 단점을 극복하기 위해.
• 효과적 상호작용 감소를 위해 준스핀 동역학을 활용함으로써 이중성분 이중자극 BEC가 LHY 보정 없이도 초고체를 안정화시킬 수 있음을 보여주기 위해.
• 성분 간 트랩 중심 이격도 δ를 통해 초고체성의 정도와 그 동역학을 제어할 수 있음을 보여주기 위해.
• 효과적 밀도와 이중자극 상호작용 강도를 감소시켜 원자 손실을 억제함으로써 장시간 동역학, 예를 들어 느린 골드스톤 모드 진동을 관측할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 이중성분 BEC를 모델링하기 위해 이중자극 상호작용(Dipole-dipole interaction, DDI)과 접촉 상호작용을 포함한 결합된 비국소 고르스-피타예프스크리(Gross-Pitaevskii, GP) 방정식을 사용한다.
• 0K에서 평균장 근사를 적용하고, 166Er과 87Rb에 대해 공간적으로 분리된 조화 퍼텐셜 트랩을 사용하며, δ는 상대적 트랩 중심 이격도(중력에 의한 처짐 포함)를 나타낸다.
• 공간 해상도 dx = dy = dz ≈ 0.3 µm와 시간 간격 dt ≈ 10 µs로 3D GP 방정식을 푸는 데 허구 스펙트럼 방법을 사용한다.
• 기본 상태를 확보하기 위해 허수 시간 진동을 구현하고, 동역학과 삼체 재결합에 의한 원자 손실을 연구하기 위해 실제 시간 진동을 사용한다.
• 166Er-87Rb 혼합계에서 µ1 ≫ µ2 조건을 적용하여 준스핀 채널에서 효과적 이중자극 상호작용을 증가시켜, LHY 안정화 없이도 패턴 형성이 가능하도록 한다.
• 초고체성과 대비도를 조절하기 위해 상호작용 계수 a12와 트랩 이격도 δ를 변화시켜 시스템의 거동을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHY 보정에 의존하지 않고 이중성분 이중자극 BEC에서 초고체 상태를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 성분 간 트랩 중심 이격도 δ가 초고체성의 정도와 드롭렛 간 조지프슨 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 큰 자화모멘트 차이를 가진 166Er-87Rb 혼합계를 사용할 경우 원자 손실 억제와 초고체 수명 연장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LHY 안정화 없이도 장주기의 비상동 급격한 골드스톤 모드가 나타날 수 있는가?
• RQ5 준스핀 채널에서의 효과적 상호작용 강도는 단일성분 경우와 비교해 어떻게 되며, 패턴 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• LHY 보정 없이도 안정적이고 장수명인 초고체가 166Er-87Rb 이중성분 이중자극 BEC에서 달성되었으며, 원자 손실이 크게 감소하였다.
• δ = 1.7 µm일 때 대비도 C ≈ 0.98를 나타내어 강한 정기적 밀도 조절을 보이며 장수명 초고체 상이 존재함을 확인하였다.
• 대비도 C는 δ 증가에 따라 증가하여 δ = 1.7 µm일 때 C ≈ 0.98에 도달하였으며, 이는 조지프슨 결합에 의한 초고체성 향상의 증거이다.
• a12 = 100aB일 때, LHY 안정화 없이도 안정적인 1D 및 2D 초고체 격자(대비도 약 0.98)를 지속할 수 있었다.
• 시간 진동 분석 결과 원자 손실이 억제되었으며, Nj가 120초 동안 천천히 감소하는 것으로 나타나 LHY 안정화 드롭렛보다 수명이 크게 연장됨을 보여주었다.
• δ를 증가시킬 경우 장주기의 비상동 급격한 골드스톤 모드가 나타나 초고체 상태에서 드롭렛 간 일관된 초류가 존재함을 확인하였다.