[論文レビュー] Sound emission and annihilations in a programmable quantum vortex collider

Woo Jin Kwon, Giulia Del Pace+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 102被引用数 93

ひとこと要約

本研究では、チューナブルな原子フェルミ超伝導体を用いたプログラマブルな2次元量子ヴォルテックスコライダーにおいて、音響放射とヴォルテックス-反ヴォルテックスの消失を実証した。正確に作成・衝突させたヴォルテックス・ダイポールを用いて、音響放射によるエネルギー損失を直接観測し、特にBCS領域において、ヴォルテックスコア内に束縛されたフェルミ粒子的準粒子が、フォノン放出をはるかに上回る散逸を顕著に増幅することを明らかにした。

ABSTRACT

In quantum fluids, the quantization of circulation forbids the diffusion of a vortex swirling flow seen in classical viscous fluids. Yet, accelerating quantum vortices may lose their energy into acoustic radiations1,2, similar to the way electric charges decelerate on emitting photons. The dissipation of vortex energy underlies central problems in quantum hydrodynamics3, such as the decay of quantum turbulence, highly relevant to systems as varied as neutron stars, superfluid helium and atomic condensates4,5. A deep understanding of the elementary mechanisms behind irreversible vortex dynamics has been a goal for decades3,6, but it is complicated by the shortage of conclusive experimental signatures7. Here we address this challenge by realizing a programmable vortex collider in a planar, homogeneous atomic Fermi superfluid with tunable inter-particle interactions. We create on-demand vortex configurations and monitor their evolution, taking advantage of the accessible time and length scales of ultracold Fermi gases8,9. Engineering collisions within and between vortex–antivortex pairs allows us to decouple relaxation of the vortex energy due to sound emission and that due to interactions with normal fluid (that is, mutual friction). We directly visualize how the annihilation of vortex dipoles radiates a sound pulse. Further, our few-vortex experiments extending across different superfluid regimes reveal non-universal dissipative dynamics, suggesting that fermionic quasiparticles localized inside the vortex core contribute significantly to dissipation, thereby opening the route to exploring new pathways for quantum turbulence decay, vortex by vortex.

研究の動機と目的

• 量子流体におけるヴォルテックスエネルギー散逸の基本的メカニズムを実験的に探る。
• 相互摩擦とヴォルテックスコア内準粒子寄与から、音響媒介エネルギー損失を分離して解明する。
• 超伝導体のフェルミ的性質がヴォルテックスダイナミクスおよびエネルギー緩和に与える影響を調査する。
• 微視的スケールでの量子乱流の崩壊を研究するためのボトムアップ的、単一ヴォルテックス制御プラットフォームを確立する。

提案手法

• 焦点を合わせたガウシアン障害物を用いた「すしきり」法により、平面的かつ均一な原子フェルミガス内で、エンジニアドされたヴォルテックス・ダイポールを生成した。
• チューナブルなs波散乱長により、BCS、ユニタリ、BEC領域へのアクセスが可能となり、超伝導相を横断する体系的・系統的な研究が可能になった。
• ヴォルテックス・ダイポールを正確に位置決めし、衝突させて加速度とエネルギー散逸を誘発した。
• 時間分解能を有するイン・サイト撮影により、ヴォルテックス軌道を追跡し、消失に伴う音響的密度パルスを検出した。
• 系の均一性とヴォルテックス間隔（d12 ≲3 µm）の制御が可能であり、スケール関数としてのエネルギー損失の直接測定が可能となった。
• 理論的モデリングとシミュレーションを用いて、衝突中の圧縮性運動エネルギーの変化を含む観測されたダイナミクスを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常流体成分が存在しない状況において、ヴォルテックスエネルギーはどのように散逸するのか。音響放射は果たす役割は何か。
• RQ2 フォノン放出と比較して、ヴォルテックスコア内に束縛されたフェルミ粒子的準粒子は、エネルギー散逸にどの程度寄与しているのか。
• RQ3 超伝導対形成態（BCS、ユニタリ、BEC）は、ヴォルテックス消失および音響放射にどのように影響を与えるか。
• RQ4 ヴォルテックス-ヴォルテックス衝突を、量子流体力学的散逸メカニズムの制御可能なプローブとして用いることは可能か。

主な発見

• ヴォルテックス-反ヴォルテックス対は、一様な音響パルスに消失し、その速度は約4.4 mm/sで、系内の音速と一致する、伝搬する密度励起として直接可視化された。
• BCS領域では、フォノン放出をはるかに上回るヴォルテックスエネルギー散逸が顕著に増幅されており、ヴォルテックスコア内に存在するフェルミ粒子的準粒子が散逸に主導的役割を果たしていることが示された。
• ヴォルテックス間隔が小さくなるほど消失率が増加し、頭突き衝突ではBCS領域において完全な消失が非常に高い確率で観測された。
• 音響放射はヴォルテックスの加速度と直接関連しており、衝突中に圧縮性運動エネルギーが最大で∆E_k ≈ 0.15 E_0まで増加した。これはエネルギーが音響モードに転送されたことを確認した。
• 単一ダイポールの軌道は、相互摩擦により徐々に減衰し、初期間隔に応じて半減期は20〜40 msの範囲に分布した。
• 観測されたダイナミクスは、DPVモデルに基づく数値シミュレーションとよく一致しており、ヴォルテックス-ヴォルテックス相互作用がエネルギー緩和に果たす役割が妥当であることが検証された。