[논문 리뷰] Sound emission and annihilations in a programmable quantum vortex collider

Woo Jin Kwon, Giulia Del Pace외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 102인용 수 93

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 원자 페르미 초유체를 사용하여 프ogram 가능 2차원 양자 회전자 충돌기에서 음향 방출과 비오르트-반비오르트 쌍의 상쇄를 실험적으로 입증한다. 정밀하게 생성된 회전자 듀엣을 충돌시켜 음향 방사에 의한 에너지 손실을 직접 관측하고, 특히 BCS 영역에서 비오르트 핵 내 페르미온 준입자들이 음파 방출을 초월해 에너지 손실을 크게 증가시킴을 규명한다.

ABSTRACT

In quantum fluids, the quantization of circulation forbids the diffusion of a vortex swirling flow seen in classical viscous fluids. Yet, accelerating quantum vortices may lose their energy into acoustic radiations1,2, similar to the way electric charges decelerate on emitting photons. The dissipation of vortex energy underlies central problems in quantum hydrodynamics3, such as the decay of quantum turbulence, highly relevant to systems as varied as neutron stars, superfluid helium and atomic condensates4,5. A deep understanding of the elementary mechanisms behind irreversible vortex dynamics has been a goal for decades3,6, but it is complicated by the shortage of conclusive experimental signatures7. Here we address this challenge by realizing a programmable vortex collider in a planar, homogeneous atomic Fermi superfluid with tunable inter-particle interactions. We create on-demand vortex configurations and monitor their evolution, taking advantage of the accessible time and length scales of ultracold Fermi gases8,9. Engineering collisions within and between vortex–antivortex pairs allows us to decouple relaxation of the vortex energy due to sound emission and that due to interactions with normal fluid (that is, mutual friction). We directly visualize how the annihilation of vortex dipoles radiates a sound pulse. Further, our few-vortex experiments extending across different superfluid regimes reveal non-universal dissipative dynamics, suggesting that fermionic quasiparticles localized inside the vortex core contribute significantly to dissipation, thereby opening the route to exploring new pathways for quantum turbulence decay, vortex by vortex.

연구 동기 및 목표

• 양자 유체에서 비오르트 에너지 손실의 기본 메커니즘을 실험적으로 탐구하기 위해.
• 서로 다른 마찰과 비오르트 핵 내 준입자 기여를 분리하여 음파 매개 에너지 손실을 분석하기 위해.
• 초유체의 페르미온 성격이 비오르트 역학과 에너지 회복 과정에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 마이크로스코픽 수준에서 양자 난류 붕괴를 연구하기 위한 바닥에서부터의 단일 비오르트 제어 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 집중된 가우시안 장애물을 사용한 '포크' 기법을 통해 평면적이고 균일한 원자 페르미 기체에서 비오르트 듀엣을 설계한다.
• 조절 가능한 s-파동 산란 길이를 통해 BCS, 유니터리, BEC 영역에 접근 가능하여 초유체 상의 전반적인 체계적 연구를 가능하게 한다.
• 비오르트 듀엣을 정밀하게 위치시켜 충돌시켜 가속도와 에너지 손실을 유도한다.
• 시간 해상도를 가진 현장 내 영상 촬영을 통해 비오르트 궤적을 추적하고, 상쇄 과정에서 발생하는 음향 밀도 펄스를 감지한다.
• 시스템의 균일성과 비오르트 간격 제어( d12 ≲3 µm) 덕분에 스케일 함수로서의 에너지 손실을 직접 측정할 수 있다.
• 관측된 역학을 검증하기 위해 이론적 모델링과 시뮬레이션을 사용하며, 충돌 중 압축성 운동에너지 변화까지 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 유체 성분이 없는 조건에서 비오르트 에너지 손실은 어떻게 일어나며, 음향 방출은 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 비오르트 핵에 갇힌 페르미온 준입자가 음파 방출에 비해 에너지 손실에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 초유체 쌍화 제도(BCS, 유니터리, BEC)가 비오르트 상쇄와 음향 방출에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비오르트-비오르트 충돌을 양자 유체역학적 에너지 손실 메커니즘을 탐색하는 제어 가능한 탐사 도구로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 비오르트-반비오르트 쌍은 응집된 음향 펄스로 상쇄되며, 이는 약 4.4 mm/s의 속도로 전파되는 밀도 자극으로 직접 시각화된다. 이 속도는 시스템 내 음속과 일치한다.
• BCS 영역에서 비오르트 에너지 손실은 음파 방출을 초월해 크게 증가하며, 이는 비오르트 핵 내 페르미온 준입자가 주요 기여를 한다는 것을 시사한다.
• 비오르트 간격이 감소할수록 상쇄율이 증가하며, 머리마주침 충돌은 BCS 영역에서 높은 확률로 완전한 상쇄를 유도한다.
• 음향 방출은 비오르트 가속도와 직접적으로 연관되어 있으며, 충돌 중 압축성 운동에너지가 최대 ∆E_k ≈ 0.15 E_0 증가함으로써 음향 모드로의 에너지 전달이 확인된다.
• 단일 듀렛트 궤적은 상호 마찰로 인해 점차 퇴색하며, 초기 간격에 따라 반감기는 20에서 40 ms 사이로 변동한다.
• 관측된 역학은 DPV 모델 기반 수치 시뮬레이션과 잘 일치하며, 비오르트-비오르트 상호작용이 에너지 회복에 기여한다는 것을 검증한다.