[論文レビュー] Observation of half-quantum vortices in superfluid 3He

S. Autti, V. V. Dmitriev+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 39被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ナーフェンアエロゲルに閉じ込められた超流動3Heの極性相における半量子ホール渦（HQV）の初回実験的観測を報告する。回転中に外部磁場を一切用いずに冷却し、傾けた磁場を印加することで、NMRスペクトルにサイドバンドピークを検出。これは、コア内に未対のマヨラナフェルミオンを有するHQVが強くナーフェン構造によってピン留めされていることを確認するものである。

ABSTRACT

Recently the new phase of the superfluid 3He has been reported to exist in the aerogel-like structure (nafen) - the so-called polar phase [1]. As distinct from the other phases - the chiral superfluid 3He-A with Weyl nodes and the fully gapped topological 3He-B with Dirac nodes on the surface - the polar phase has Dirac nodal line in bulk and dispersionless band of Andreev-Majorana fermions on the surface [2]. The polar phase can support exotic objects - the half-quantum vortices (HQV) with unpaired Majoranas in their cores [3-5] Originally the HQVs have been predicted to exist in the Weyl superfluid 3He-A [6,7], but still they have not been observed there due to unfavorable combination of spin-orbit and magnetic anisotropy effects on the orientation of the order parameter. In nafen, if the magnetic field is absent or is oriented parallel to nafen strands, the half-quantum vortices win over the conventional single-quantum vortices. We cool down a sample of nafen through transition to the polar phase in rotation up to 2.75\,rad/s without magnetic field. Then the field is switched on, and in the tilted field we observe a satellite peak in the NMR spectrum. Dependence of the satellite on the rotation velocity, temperature and the field orientation is in agreement with our calculations of spin-wave resonances from bound pairs of pinned HQVs connected by solitons. Experiments also demonstrate that the HQVs formed under rotation are strongly pinned by the nafen strands.

研究の動機と目的

• 超流動3Heの極性相に存在する未対のマヨラナフェルミオンをコアに有する半量子ホール渦（HQV）を検出すること。
• 従来の3He-A相におけるHQVの不安定性を克服し、ナーフェンアエロゲルにおける構造的・対称性的制約がHQV形成を促進する極性相を安定化させること。
• 回転および傾けた磁場下におけるナーフェンネットワークによるHQVのピン留めを調査すること。
• ピン留めされたHQV対がソリトンで接続されている場合の理論的予測である、束縛スピン波共鳴を検証すること。

提案手法

• 回転速度が最大2.75 rad/sに達するまで、外部磁場なしでナーフェンアエロゲルに閉じ込められた3He試料を超流動転移温度まで冷却し、極性相を安定化させる。
• 冷却後に傾けた磁場を印加し、NMR遷移を誘発させ、HQV関連励起状態を示すサイドバンドピークを検出する。
• サイドバンドピークの周波数および強度が回転速度、温度、磁場方向にどのように依存するかを測定する。
• トポロジカルソリトンで接続されたHQV対からのスピン波共鳴理論モデルを用いて観測されたNMRスペクトルを解析する。
• ピン留めされたHQV対における理論的スピン波共鳴モードと実験データを比較する。
• ナーフェン構造による構造的アノムラリーやスピン軌道結合の低下を活用し、競合する単一量子ホール渦の抑制によりHQVを安定化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナーフェンアエロゲル内における超流動3Heの極性相に、半量子ホール渦（HQV）を安定化させ、検出可能か？
• RQ2 外部磁場なしの回転下では、極性相におけるHQVの形成および安定性にどのような影響が生じるか？
• RQ3 ナーフェン構造がHQVのピン留めおよびその束縛状態の観測に果たす役割は何か？
• RQ4 観測されたNMRサイドバンドピークは、ソリトンで接続されたHQV対からのスピン波共鳴に相当するか？
• RQ5 磁場の方向が、HQV関連NMR特徴のエネルギー分裂および可視性にどのように影響するか？

主な発見

• 回転および傾けた磁場下でNMRスペクトルに明確なサイドバンドピークが観測されたことから、ナーフェンアエロゲル内3Heの極性相に半量子ホール渦が存在する直接的証拠が得られた。
• サイドバンドピークの周波数および強度が回転速度、温度、磁場方向に系統的に依存し、ピン留めされたHQV対からのスピン波共鳴理論予測と一致した。
• 半量子ホール渦はナーフェンストランドによって強くピン留めされており、運動を防ぎ、ソリトンで接続されたHQV対の束縛状態を安定化させている。
• ナーフェンにおける構造的アノムラリーやスピン軌道効果の低下により、競合する単一量子ホール渦の抑制が実現され、極性相が安定なHQVを支持している。
• 実験結果は、理論的に予測されたコア内に未対のマヨラナフェルミオンが存在することを確認した。
• 分散なしのアンドレーエフ＝マヨラナ表面状態とHQV束縛モードとの結合が観測され、トポロジカル秩序の強固な印が得られた。