[논문 리뷰] Spin-orbit coupling driven superfluid states in optical lattices at zero and finite temperatures

Kuldeep Suthar, Pardeep Kaur외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 06.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 50인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 라슈바 스핀-오비트 결합을 가진 2차원 보즈-후브라드 모델을 평균장 구트윌러 이론을 사용하여 영온도 및 유한온도에서의 양자상전이를 분석함으로써 스핀-오비트 결합이 유한운동량 초유체상의 형성에 미치는 영향을 조사한다. 스핀-오비트 결합은 상호스핀 상호작용 강도에 따라 서로 다른 유한운동량 초유체상—위상왜곡 초유체 및 스트라이프 초유체—를 유도하며, 열역학적 변동은 위상왜곡 초유체성을 억제하고 정상유체 상태를 안정화시킨다.

ABSTRACT

We investigate the quantum phase transitions of a two-dimensional Bose-Hubbard model in the presence of a Rashba spin-orbit coupling with and without thermal fluctuations. The interplay of single-particle hopping, strength of spin-orbit coupling, and interspin interaction leads to superfluid phases with distinct properties. With interspin interactions weaker than intraspin interactions, the spin-orbit coupling induces two finite-momentum superfluid phases. One of them is a phase-twisted superfluid that exists at low hopping strengths and reduces the domain of insulating phases. At comparatively higher hopping strengths, there is a transition from the phase-twisted to a finite momenta stripe superfluid. With interspin interactions stronger than the intraspin interactions, the system exhibits phase-twisted to ferromagnetic phase transition. At finite temperatures, the thermal fluctuations destroy the phase-twisted superfluidity and lead to a wide region of normal-fluid states. These findings can be observed in recent quantum gas experiments with spin-orbit coupling in optical lattices.

연구 동기 및 목표

• 라슈바 스핀-오비트 결합을 가진 이성분 보즈-후브라드 모델에서의 양자상전이를 조사한다.
• 스핀-오비트 결합에 의해 유도되는 유한운동량 초유체상(위상왜곡 및 스트라이프)의 발생을 특성화한다.
• 스핀-오비트 결합과 열역학적 변동이 초유체 안정성에 미치는 상호작용을 검토한다.
• 상호스핀 상호작용 강도가 상도 및 상전이에 미치는 영향을 규명한다.

제안 방법

• 2차원 정사각형 광학 격자에서 라슈바 스핀-오비트 결합을 가진 이성분 보즈-후브라드 해밀토니안을 사용한다.
• 다체 문제를 해결하고 초유체 오더 파라미터를 계산하기 위해 평균장 구트윌러 방법을 적용한다.
• 유한온도에서 원자 점유율 및 운동량 분포와 같은 열평균 관측량을 계산한다.
• 전자 이동 강도, 스핀-오비트 결합, 상호작용 파라미터를 변화시켜 상도를 분석한다.
• 오더 파라미터, 운동량 분포 및 스핀 텍스처를 통해 초유체상을 특성화한다.
• 영온도와 유한온도에서의 결과를 비교하여 초유체상의 열안정성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라슈바 스핀-오비트 결합은 2차원 보즈-후브라드 시스템에서 유한운동량 초유체상을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 상호스핀 상호작용과 내스핀 상호작용이 초유체상의 성질을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 열역학적 변동은 위상왜곡 초유체의 안정성과 정상유체 상태로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 모트 절연체에서 위상왜곡 초유체로의 전이에 대한 임계 전자 이동 강도는 무엇이며, 스핀-오비트 결합에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 유한온도에서 스핀-오비트 결합은 상도를 어떻게 수정하며, 특히 초유체 오더의 융해와 관련하여 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• 상호스핀 상호작용이 약할 경우, 스핀-오비트 결합은 두 가지 유한운동량 초유체상을 유도한다: 낮은 전자 이동 강도에서 위상왜곡(PT) 초유체와 높은 전자 이동 강도에서 스트라이프(ST) 초유체.
• 낮은 전자 이동 강도에서, PT 초유체는 모트 절연체 영역의 안정성을 감소시킨다.
• 상호스핀 상호작용이 강할 경우, 시스템은 PT 초유체에서 z-스핀 정렬 페어링(ferromagnetic, zFM) 초유체상으로 전이된다.
• 영온도에서, 모트 절연체에서 PT 초유체로의 전이에 대한 임계 전자 이동 강도는 스핀-오비트 결합이 증가함에 따라 감소하며, 평균장 예측과 일치한다.
• 유한온도에서는 열역학적 변동이 PT 초유체 오더를 파괴하여 넓은 범위의 정상유체 상태를 유도한다.
• PT 초유체상의 융해로 인해 넓은 영역의 스트라이프 정상유체 상태가 나타나며, 이는 유한운동량 초유체성의 열적 안정성이 낮아짐을 시사한다.