[論文レビュー] Emergence of turbulence in an oscillating Bose-Einstein condensate

E. A. L. Henn, J. A. Seman+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、磁気トラップされた 87 Rb ボーズ＝アインシュタイン凝縮系に周期的な磁場を印加することで、量子渦のからまり（tangle）を生成し、量子乱流の実験的発現を示した。主な発見は、自由拡張過程において通常観察される縦横比の逆転が抑制され、非等方的形状を維持するという点である。これは、通常の BEC や熱気とは明確に異なる、新たな流体力学的状態を示しており、超低温原子系における量子乱流の新たな特徴付けを示唆している。

ABSTRACT

We report on the experimental observation of vortices tangle in an atomic BEC of Rb-87 atoms when an external oscillatory perturbation is introduced in the trap. The vortices tangle configuration is a signature of the presence of a turbulent regime in the cloud. We also show that this turbulent cloud has suppression of the aspect ratio inversion typically observed in quantum degenerate bosonic gases during free expansion. Instead, the cloud expands keeping the ratio between their axis constant. Turbulence in atomic superfluids may constitute an alternative system to investigate decay mechanisms as well as to test fundamental theoretical aspects in this field.

研究の動機と目的

• 磁気トラップされた原子系における量子乱流の実験的観測を目的とする。
• 自由拡張過程における乱流的量子流体の流体力学的挙動を調査することを目的とする。
• 通常の BEC や熱気の拡張ダイナミクスとは明確に異なる、量子乱流の独自の特徴を特定することを目的とする。
• 渦のからまりが超低温量子流体の集団的拡張ダイナミクスに与える影響を調査することを目的とする。

提案手法

• 1–2×10⁵ 個の原子を含む 87 Rb ボーズ＝アインシュタイン凝縮を、径方向周波数 ωᵣ = 2π×210 Hz、軸方向周波数 ωₓ = 2π×23 Hz のナス型磁気トラップに生成した。
• トラップ軸に対してわずかにずれたアンチヘルムホルツコイルを用いて、200 Hz の周波数と最大 190 mG/cm の勾配を持つ時間変化する四極子場を印加した。
• 振動は 20–60 ms 継続し、方向が逆転しないゼロから最大値へのプロファイルを取った。これにより、凝縮体に非一様な摂動が生じた。
• 20 ms の遅延後、クラウドを解放し、吸収像像で渦構造と拡張ダイナミクスを観測した。
• 吸収像における渦コアおよび渦線の非一様で不規則な分布から、渦のからまり構成を同定した。
• 通常の BEC と乱流系との間で自由拡張過程における縦横比の時間発展を定量的に比較し、標準的な量子的または熱的挙動からの逸脱を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気トラップされた原子系におけるボーズ＝アインシュタイン凝縮で、量子乱流を実験的に生成・観測できるか？
• RQ2 自由拡張過程において、乱流的量子流体と通常の BEC や熱気とを区別する流体力学的特徴は何か？
• RQ3 渦のからまりが、非乱流的 BEC で見られる典型的な縦横比の逆転を抑制するか？
• RQ4 渦のからまりが生じるランダムな流れ場が、超流動体の集団的拡張ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 縦横比の逆転抑制は、超低温原子系における量子乱流の診断的特徴として機能するか？

主な発見

• 周期的な磁場の印加により、凝縮体全体にわたって非一様に分布する量子渦のからまりが生成され、量子乱流の発現が確認された。
• 乱流系のクラウドは、自由拡張過程において縦横比の逆転が抑制され、初期の非等方的形状を拡張中も維持した。
• 通常の BEC がナス型からパンケーキ型に変化するのとは異なり、熱気では単位縦横比に達するのに対し、乱流系は一定の縦横比を維持した。
• 長時間にわたる拡張において、乱流系の拡張が著しく大きくなった。これは、渦再接続や可能なエネルギー級連過程によるエネルギー散逸を示唆している。
• 縦横比の逆転が見られないことは、原子超流動体における量子乱流の新たな流体力学的特徴と解釈される。
• この挙動は、渦のからまりが生成するランダムな速度場に起因する根本的に異なる流れの状態を示しており、量子乱流におけるエネルギー散逸の新たなメカニズムを示唆している。