[논문 리뷰] Quantum Phase Transitions of Bilayer Spin-orbit Coupled Bose-Einstein Condensates

Qing Sun, Lin Wen외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 18.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 레이저 보조 다층 턨널링를 통해 이중층 보즈아인슈타인 응축체에서 효과적인 이중 차원 스핀 궤도 결합(SOC)을 실현하는 방법을 제안한다. 터널링, SOC, 원자 상호작용 간의 상호작용은 시간역전 대칭성을 위반하는 새로운 스트라이프 상으로의 양자역학적 전이를 이끌어내며, 이 상에서는 분할된 스카이름론 격자가 존재한다. 이는 네 가지의 서로 다른 상이 한점에서 공존하는 4중 임계점(tetracritical point)을 형성한다.

ABSTRACT

Motivated by a goal of realizing spin-orbit coupling (SOC) beyond one-dimension (1D), we propose and analyze a method to generate an effective 2D SOC in bilayer BECs with laser-assisted inter-layer tunneling. We show that an interplay between the inter-layer tunneling, SOC and intra-layer atomic interaction can give rise to diverse ground state configurations. In particular, the system undergoes a transition to a new type of stripe phase which spontaneously breaks the time-reversal symmetry. Different from the ordinary Rashba-type SOC, a fractionalized skyrmion lattice emerges spontaneously in the bilayer system without external traps. Furthermore, we predict the occurrence of a tetracritical point in the phase diagram of the bilayer BECs, where four different phases merge together. The origin of the emerging different phases is elucidated.

연구 동기 및 목표

• 1D 시스템을 초월해 이중층 보즈아인슈타인 응축체에서 효과적인 2D SOC를 실현함으로써 스핀 궤도 결합을 확장하고자 한다.
• 다층 간 터널링, 스핀 궤도 결합, 내층 상호작용 간의 상호작용이 지배하는 기초 상태 상을 규명하고자 한다.
• 외부 퍼터브 없이도 시간역전 대칭성을 위반하는 새로운 양자상들을 식별하고자 한다.
• 상도를 그려내고 다중 임계점, 즉 여러 상이 동시에 공존하는 지점을 특정하고자 한다.

제안 방법

• 초냉각 원자 두 층 사이의 레이저 보조 터널링을 이용해 효과적인 2D 스핀 궤도 결합을 설계한다.
• 다층 간 터널링, 라슈바형 SOC, 그리고 점상 상호작용을 포함하는 평균장 해밀토니안을 사용해 시스템을 모델링한다.
• 변분법과 수치적 방법을 활용해 기초 상태 웨이브함수와 상도를 구한다.
• 기초 상태의 대칭성 특성을 분석하여 시간역전 대칭성 위반 여부를 탐지한다.
• 스핀 텍스처에서 분할된 스카이름론 격자 구조의 출현을 통해 위상적 순서를 규명한다.
• 상도를 그려내어 네 가지의 서로 다른 상이 한점에서 만날 수 있는 4중 임계점을 특정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 보조 터널링를 통해 이중층 보즈아인슈타인 응축체에서 효과적인 이중 차원 스핀 궤도 결합을 실현할 수 있는가?
• RQ2 다층 간 터널링, 스핀 궤도 결합, 원자 상호작용 간의 경쟁에서 어떤 새로운 양자상이 나타나는가?
• RQ3 이 시스템은 자발적인 시간역전 대칭성 위반을 보이며, 만약 그렇다면 어떤 조건에서 그러한 현상이 발생하는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 외부 퍼터브 없이도 분할된 스카이름론 격자가 나타날 수 있는가?
• RQ5 상도에서 네 가지의 서로 다른 양자상이 한 점에서 공존하는 4중 임계점이 존재하는가?

주요 결과

• 다층 간 터널링, 스핀 궤도 결합, 상호작용 간의 상호작용으로 인해 자발적으로 시간역전 대칭성을 위반하는 새로운 스트라이프 상이 나타난다.
• 외부 퍼터브나 자장 없이도 시스템은 기초 상태 텍스처로서 분할된 스카이름론 격자를 지닌다.
• 상도에서 네 가지의 서로 다른 양자상이 한 점에서 만날 수 있는 4중 임계점이 확인되었다.
• 다양한 상의 출현은 스핀 궤도 결합, 터널링 강도, 상호작용 강도 간의 경쟁에 의해 이끌린다.
• 상도는 위상적 상과 대칭성 위반 상이 임계점에서 공존하는 풍부한 구조를 드러낸다.