[논문 리뷰] Two-dimensional supersolidity in a circular trap

Thomas Bland, Elena Poli외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 14.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 열역학적으로 불리한 1차 전이인 로톤 불안정성으로 인한 경로를 우회하면서, 근접 원형 퍼티널에서 직접 증발 냉각을 통해 2차원(2D) 수반 고체의 실험적 실현을 보여준다. 평균장 이외의 보정을 포함한 확률적 그로스-피타에프스키 이론을 사용하여, 불안정한 중심 집중형 로톤이 비선형 결정 성장을 이끌고 수반 고체 형성을 유도함을 밝히고, 정적 구조 인자 계산을 통해 2D 수반 고체와 1D 수반 고체를 구별한다. 이는 초냉각된 양자 시스템에서 대규모 2D 수반 고체 배열을 만드는 실현 가능한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Dipolar condensates have recently been coaxed into supersolid phases supporting both superfluid and crystal excitations. While one-dimensional (1D) supersolids may be prepared via a roton instability, we find that such a procedure in two dimensions (2D) leads to greater heating. We go on to show that 2D roton modes have little in common with the supersolid configuration: instead, unstable centralized rotons trigger a process of nonlinear crystal growth. By evaporatively cooling directly into the supersolid phase--hence bypassing the first-order roton instability--we experimentally produce a 2D supersolid in a near-circular trap. We develop a stochastic Gross-Pitaevskii theory that includes beyond-meanfield effects to further explore the formation process. We calculate the static structure factor for a 2D supersolid, and compare to a 1D array. These results provide insight into the process of supersolid formation in 2D, and define a realistic path to the formation of large two-dimensional supersolid arrays.

연구 동기 및 목표

• 2D 이질성 디폴라르 응축체에서 1D 유사 로톤 불안정성 경로와 관련된 과도한 가열 문제를 해결하기 위해.
• 1차 로톤 전이를 우회함으로써 2D 수반 고체에 대한 실현 가능한 실험적 길을 규명하기 위해.
• 초평균장 효과를 포함한 확률적 그로스-피타에프스키 방정식을 사용하여 2D 수반 고체의 형성 역학을 모델링하기 위해.
• 2D 수반 고체의 정적 구조 인자를 1D 배열과 비교하여 그들 간의 고유한 순서 매개변수를 특성화하기 위해.
• 초냉각 양자 시스템에서 대규모 2D 수반 고체 배열을 생성하는 현실적인 길을 확립하기 위해.

제안 방법

• 증발 냉각을 통해 1차 로톤 불안정성 경로를 피하면서 직접적으로 디폴라르 응축체를 수반 고체 상으로 준비한다.
• 확률적 그로스-피타에프스키 방정식을 사용하여 동역학을 모델링하고, 초평균장 상호작용과 열적 변동을 포함한다.
• 불안정한 중심 집중형 로톤 모드에서 기인하는 비선형 효과를 모델에 포함하여 결정 성장을 유도한다.
• 정적 구조 인자를 계산하여 밀도 질서를 정량화하고 2D 수반 고체의 특성과 1D 배열을 비교한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 초기 응축체에서 최종 수반 고체 상태로의 진화를 추적하며, 패턴 형성과 안정성에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형 퍼티널에서 1차 로톤 불안정성 경로를 거치지 않고 2D 수반 고체를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 불안정한 중심 집중형 로톤 모드는 2D 수반 고체의 형성 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초평균장 효과는 수반 고체 상의 안정화와 진화 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 2D 수반 고체의 정적 구조 인자는 1D 배열과 어떻게 다를까?
• RQ5 기본적인 로톤 불안정성 없이 비선형 결정 성장의 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 수반 고체 상으로의 직접 증발 냉각은 2D에서 1차 로톤 불안정성과 관련된 과도한 가열을 효과적으로 피하는 데 성공했다.
• 불안정한 중심 집중형 로톤 모드가 비선형 결정 성장을 유도하여 상분리가 아닌 수반 고체 형성을 이끌었다.
• 초평균장 보정을 포함한 확률적 그로스-피타에프스키 이론은 수반 고체 핵형성과 패턴 형성의 역학을 정확히 묘사한다.
• 2D 수반 고체의 정적 구조 인자는 1D 배열과는 다소 다른 특징을 보이며, 이는 서로 다른 순서 매개변수와 상관 길이를 시사한다.
• 이 연구는 초냉각된 디폴라르 양자 기체에서 대규모 2차원 수반 고체 배열을 생성하는 실현 가능한 실험적 길을 확립했다.