[论文解读] Angular momentum in interacting many-body systems hides in phantom vortices

Storm Weiner, Marios C. Tsatsos+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 37被引用 6

一句话总结

本文引入了'幽灵涡旋'——一种在空间相干性中存在但密度中不可见的无核心拓扑缺陷，在分碎片的超冷玻色-爱因斯坦凝聚体中隐藏着角动量。通过多配置时变全息玻色子方法（MCTDHB），作者证明这些涡旋通过节点突变和缓慢的轨道-轨道涡旋转移产生，可通过单体关联函数探测，并携带远超平均场理论预测的角动量。

ABSTRACT

Vortices are essential to angular momentum in quantum systems such as ultracold atomic gases. The existence of quantized vorticity in bosonic systems stimulated the development of the Gross-Pitaevskii mean-field approximation. However, the true dynamics of angular momentum in finite, interacting many-body systems like trapped Bose-Einstein condensates is enriched by the emergence of quantum correlations whose description demands more elaborate methods. Herein we theoretically investigate the full many-body dynamics of the acquisition of angular momentum by a gas of ultracold bosons in two dimensions using a standard rotation procedure. We demonstrate the existence of a novel mode of quantized vorticity, which we term the $ extit{phantom vortex}$ that, contrary to the conventional mean-field vortex, can be detected as a topological defect of spatial coherence, but $ extit{not}$ of the density. We describe previously unknown many-body mechanisms of vortex nucleation and show that angular momentum is hidden in phantom vortex modes which so far seem to have evaded experimental detection.

研究动机与目标

• 研究在平均场近似之外，相互作用的、分碎片的二维超冷玻色-爱因斯坦凝聚体中角动量获取的动力学行为。
• 识别并表征在密度中不可见但在空间相干性中显现的新型涡旋模式。
• 确定并阐明当传统涡旋在密度中未出现时，角动量如何在多体关联态中储存。
• 通过可测量的相关函数探索这些难以捉摸的涡旋在实验上的可探测性。

提出的方法

• 使用多配置时变全息玻色子方法（MCTDHB）数值求解时间依赖的多体薛定谔方程。
• 在MCTDH-X软件包中采用递归MCTDHB实现，以高精度处理多体关联效应。
• 分析单体约化密度矩阵和单体关联函数 $|g^{(1)}(\mathbf{r}|\mathbf{r}^\prime;t)|$，以探测相干性中的拓扑缺陷。
• 研究节点突变和缓慢的轨道-轨道涡旋转移等涡旋成核机制在分碎片态中的作用。
• 将MCTDHB结果与时间依赖的格罗斯-皮塔耶夫斯基平均场预测进行角动量含量比较。
• 在旋转参考系中采用能量本征态分析，以识别定态中幽灵涡旋的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分碎片的超冷玻色-爱因斯坦凝聚体中，角动量是否可以储存在密度中不可见的涡旋中？
• RQ2 这些涡旋的成核涉及哪些多体机制？它们与平均场涡旋形成机制有何不同？
• RQ3 幽灵涡旋是否可通过可测量的量子关联函数观测到？若能，如何实现？
• RQ4 在相同旋转条件下，多体态的角动量含量与平均场近似的角动量含量相比如何？
• RQ5 在旋转玻色-爱因斯坦凝聚体中实验观测到的涡旋是否可被识别为幽灵涡旋而非传统平均场涡旋？

主要发现

• 幽灵涡旋——在空间相干性中存在但密度中缺失的无核心拓扑缺陷——被识别为分碎片、相互作用的超冷玻色-爱因斯坦凝聚体中一种新的量子化涡旋模式。
• 这些涡旋通过两种新颖的多体机制产生：在碎片中已有缺陷上的节点突变，以及碎片之间的缓慢轨道-轨道涡旋转移，这两种机制在平均场理论中均不存在。
• 单体关联函数 $|g^{(1)}(\mathbf{r}|\mathbf{r}^\prime;t)|$ 明确揭示了幽灵涡旋的存在，其核心处相干性接近零，无论参考点如何。
• 幽灵涡旋彼此之间以及与它们之间的主密度部分完全不相干，表明它们在分碎片态中是独立的量子物体。
• 在相同旋转条件下，多体态携带的角动量约为平均场GP态的三倍，其超额部分储存在幽灵涡旋中。
• 即使在密度中涡旋成核的临界旋转频率以下，系统仍表现出显著的分碎片性和通过幽灵涡旋积累的角动量。