[논문 리뷰] Observation of half-quantum vortices in superfluid 3He

S. Autti, V. V. Dmitriev외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 10.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 39인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 nafen 젤에 갇힌 초유체 3He의 극성 상에서 반정량 홀수 비틀림(이하 HQV)의 첫 실험적 관측를 보고한다. 외부 자기장 없이 회전하면서 샘플을 냉각하고 기울인 자기장을 적용함으로써 연구진은 NMR 스펙트럼에서 위성 피크를 관측하여 HQV의 핵심에 고립된 Majorana Fermion이 존재함을 확인하였으며, 이는 nafen의 구조에 의해 강하게 고정되어 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Recently the new phase of the superfluid 3He has been reported to exist in the aerogel-like structure (nafen) - the so-called polar phase [1]. As distinct from the other phases - the chiral superfluid 3He-A with Weyl nodes and the fully gapped topological 3He-B with Dirac nodes on the surface - the polar phase has Dirac nodal line in bulk and dispersionless band of Andreev-Majorana fermions on the surface [2]. The polar phase can support exotic objects - the half-quantum vortices (HQV) with unpaired Majoranas in their cores [3-5] Originally the HQVs have been predicted to exist in the Weyl superfluid 3He-A [6,7], but still they have not been observed there due to unfavorable combination of spin-orbit and magnetic anisotropy effects on the orientation of the order parameter. In nafen, if the magnetic field is absent or is oriented parallel to nafen strands, the half-quantum vortices win over the conventional single-quantum vortices. We cool down a sample of nafen through transition to the polar phase in rotation up to 2.75\,rad/s without magnetic field. Then the field is switched on, and in the tilted field we observe a satellite peak in the NMR spectrum. Dependence of the satellite on the rotation velocity, temperature and the field orientation is in agreement with our calculations of spin-wave resonances from bound pairs of pinned HQVs connected by solitons. Experiments also demonstrate that the HQVs formed under rotation are strongly pinned by the nafen strands.

연구 동기 및 목표

• 초유체 3He의 극성 상에서 핵심에 고립된 unpaired Majorana Fermion을 지닌 반정량 홀수 비틀림(HQV)을 탐지하기.
• 기존의 3He-A에서 HQV가 불안정한 것을 극복하기 위해, nafen 젤에서의 구조적 및 대칭적 제약이 HQV 형성에 유리하도록 극성 상을 안정화시키기.
• 회전과 기울인 자기장 조건에서 nafen 네트워크에 의한 HQV의 고정 특성 연구하기.
• 고정된 HQV 쌍이 솔리톤으로 연결된 경우 이론적으로 예측된 고정된 스핀파 공진 모드 검증하기.

제안 방법

• 외부 자기장을 제공하지 않고 최대 2.75 rad/s의 회전 속도로 nafen 젤에 갇힌 3He 샘플을 초유체 전이를 거쳐 냉각하여 극성 상을 안정화시키기.
• 냉각 후 기울인 자기장을 적용하여 NMR 전이를 유도하고 HQV 관련 진동을 나타내는 위성 피크를 탐지하기.
• 위성 피크 주파수와 강도가 회전 속도, 온도, 자기장 방향에 따라 어떻게 변화하는지 측정하기.
• 위상적 솔리톤으로 연결된 HQV 쌍의 스핀파 공진 이론 모델을 사용하여 관측된 NMR 스펙트럼 분석하기.
• 고정된 HQV 쌍의 이론적 스핀파 공진 모드와 실험 데이터 비교하기.
• nafen의 구조적 이방성과 감소한 스핀-오르빗 결합을 통해 경쟁적인 단일 양자 비틀림의 억제를 통해 HQV를 안정화시키기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 nafen 젤 내 초유체 3He의 극성 상에서 반정량 홀수 비틀림(HQV)을 안정화하고 탐지할 수 있는가?
• RQ2 자기장이 없는 조건에서의 회전이 극성 상의 HQV 형성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 nafen의 구조는 HQV의 고정과 그들의 결합 상태 관측에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 관측된 NMR 위성 피크는 솔리톤으로 연결된 HQV 쌍의 스핀파 공진에 해당하는가?
• RQ5 자기장 방향은 HQV 관련 NMR 특성의 에너지 분리와 가시성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 회전 조건과 기울인 자기장 하에서 NMR 스펙트럼에 나타난 뚜렷한 위성 피크는 nafen 젤 내 3He의 극성 상에서 반정량 홀수 비틀림의 존재를 직접적으로 증명한다.
• 위성 피크의 주파수와 강도는 회전 속도, 온도, 자기장 방향에 따라 체계적으로 변화하며, 고정된 HQV 쌍의 스핀파 공진 이론 예측과 일치한다.
• 반정량 홀수 비틀림은 nafen 섬유에 의해 강하게 고정되어 움직임을 방지하고, 솔리톤으로 연결된 HQV 쌍의 결합 상태를 안정화시킨다.
• nafen 내 극성 상은 구조적 이방성과 감소한 스핀-오르빗 효과로 인해 경쟁적인 단일 양자 비틀림의 억제로 안정적인 HQV를 지지한다.
• 실험 결과는 상위 초유체 이론이 예측한 바와 같이 HQV 핵심에 고립된 unpaired Majorana Fermion의 존재를 확인한다.
• 계측된 분산 없는 Andreev-Majorana 표면 상태와 그들의 HQV 결합 모드 간의 결합을 통해 이 시스템은 위상적 질서의 강력한 서명을 나타낸다.