[논문 리뷰] Superfluidity and Phase Correlations of Driven Dissipative Condensates

J. Keeling, L. M. Sieberer외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 18.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비평형 장 이론 프레임워크를 사용하여 구동 및 소산이 있는 응축체—예를 들어 펄서론 및 광자 응축체—에서 초유동성과 위상 일관성을 연구한다. 이는 두 차원에서 등방성 시스템이 KPZ 유형의 비선형성으로 인해 대수적 위상 순서를 失하는 반면, 비등방성 시스템은 대수적 상관관계를 유지할 수 있음을 보여준다. 초유동성은 보스아인슈타인 응축이 없더라도 유지되며, 위상 강성은 주요 지표로 작용하지만, 초유동 반응의 직접적 실험적 측정은 아직 이루어지지 않았다.

ABSTRACT

We review recent results on the coherence and superfluidity of driven dissipative condensates, i.e., systems of weakly-interacting non-conserved Bosons, such as polariton condensates. The presence of driving and dissipation has dramatically different effects depending on dimensionality and anisotropy. In three dimensions, equilibrium behaviour is recovered at large scales for static correlations, while the dynamical behaviour is altered by the microscopic driving. In two dimensions, for an isotropic system, drive and dissipation destroy the algebraic order that would otherwise exist, however a sufficiently anisotropic system can still show algebraic phase correlations. We discuss the consequences of this behaviour for recent experiments measuring phase coherence, and outline potential measurements that might directly probe superfluidity.

연구 동기 및 목표

• 구동 및 소산 시스템, 특히 두 차원에서 초유동성, 보스아인슈타인 응축, 위상 일관성 간의 차이를 명확히 하기.
• 구동 및 소산이 비평형 안정 상태에서 장거리 위상 상관관계와 초유동 반응에 미치는 영향을 조사하기.
• 2차원 구동 및 소산 응축체에서 비대칭성 없는 초유동성이 존재할 수 있는지 확인하기.
• 특히 초유동 분율을 포함한 초유동성의 실험적 서명과 측정 방법을 규명하기.
• 비틀림 및 토폴로지적 결함이 구동 및 소산 시스템에서 수행하는 역할을 고려하기, 특히 나선형 구조와 동역학을 포함하여.

제안 방법

• 연속적인 펌프와 붕괴를 고려한 비보존 보스론에 대해 약한 상호작용을 모델링하기 위해 확률적 그로스-피타예프스키 방정식(cGPE)을 사용한다.
• 등방성 2차원 시스템에서 대수적 순서의 붕괴를 분석하기 위해 구동 및 소산 시스템을 카르다르-파르시-즈랑(Z) 방정식(KPZ 방정식)으로 매핑한다.
• 응축과 무관하게 단위 위상 비틀기 또는 회전에 대한 반응을 통해 초유동성을 정의하기 위해 위상 강성 형식을 적용한다.
• 구동 시스템에서의 비틀림의 구조를 분석하여, 비보존 전류와 밀도 감소로 인한 국소적 증폭으로 인해 나선형 구조가 발생함을 보여준다.
• 간섭 영상 촬영(각도 오프셋 포함)과 에너지 해상도 영상 촬영과 같은 실험적 측정 방법을 고려하여 비틀림과 비틀림 격자를 탐지한다.
• 초유동 반응 함수 χij(q,ω)를 평가하여 초유동 밀도를 정의하고 직접 측정의 가능성 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 구동 및 소산 응축체에서 비대칭성 없는 초유동성이 비대칭성 없는 초유동성 또는 보스아인슈타인 응축이 없이 존재할 수 있는가?
• RQ2 구동 및 소산으로 인한 카르다르-파르시-즈랑(Z) 비선형성은 2차원 시스템에서 대수적 위상 상관관계 존재에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시스템의 비등방성은 구동 및 소산 응축체에서 대수적 위상 순서 유지에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 구동 시스템에서의 나선형 비틀림 구조는 비틀림 상호작용과 코스터리츠-투스 비이론 전이의 성질을 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 어떤 실험적 측정이 구동 및 소산 응축체에서 초유동 분율을 직접적으로 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 3차원에서는 대규모 정적 상관관계가 평형 유사 행동을 회복하지만, 미세 구조적 구동으로 인해 동역학적 성질이 변화한다.
• 등방성 2차원 시스템에서는 KPZ 매핑으로 인해 위상 상관관계가 지수적으로 감쇠되어 대수적 순서가 파괴되고 진정한 장거리 질서가 불가능해진다.
• 강한 비등방성 2차원 시스템에서는 효과적인 비선형성이 감소하여 대수적 위상 상관관계가 유지되어 잠재적 초유동성이 가능해진다.
• 초유동성은 보스아인슈타인 응축과 독립적으로 존재할 수 있으며, 이는 ODLRO가 없더라도 비제로 위상 강성이 존재함으로써 입증된다.
• 구동 및 소산 시스템에서 비틀림은 밀도 감소 핵 부근에서 전류가 발산하는 것으로 인해 나선형 구조를 형성하며, 이는 비틀림의 동역학과 상호작용을 변화시킨다.
• 초유동 반응 함수의 직접적 실험 측정은 아직 이루어지지 않았으며, 이는 초유동성이 열역학적 또는 유한 크기 효과로 확인되기 위한 핵심 과제로 남아 있다.