[論文レビュー] Spin-orbit coupling driven superfluid states in optical lattices at zero and finite temperatures

Kuldeep Suthar, Pardeep Kaur+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ラシバスピン軌道結合を有する2次元ボーズ・ハッバード模型を、平均場ゲッツヴィラー理論を用いてゼロ温度および有限温度における量子相転移を分析することで、スピン軌道結合が異なる有限運動量を有する超流動相—位相ねじれ型とストライプ型超流動相—を誘導することを調査した。熱揺らぎは位相ねじれ型超流動性を抑制し、通常流動相を安定化させる。

ABSTRACT

We investigate the quantum phase transitions of a two-dimensional Bose-Hubbard model in the presence of a Rashba spin-orbit coupling with and without thermal fluctuations. The interplay of single-particle hopping, strength of spin-orbit coupling, and interspin interaction leads to superfluid phases with distinct properties. With interspin interactions weaker than intraspin interactions, the spin-orbit coupling induces two finite-momentum superfluid phases. One of them is a phase-twisted superfluid that exists at low hopping strengths and reduces the domain of insulating phases. At comparatively higher hopping strengths, there is a transition from the phase-twisted to a finite momenta stripe superfluid. With interspin interactions stronger than the intraspin interactions, the system exhibits phase-twisted to ferromagnetic phase transition. At finite temperatures, the thermal fluctuations destroy the phase-twisted superfluidity and lead to a wide region of normal-fluid states. These findings can be observed in recent quantum gas experiments with spin-orbit coupling in optical lattices.

研究の動機と目的

• ラシバスピン軌道結合を有する2成分ボーズ・ハッバード模型における量子相転移を調査すること。
• スピン軌道結合によって駆動される有限運動量超流動相（位相ねじれ型およびストライプ型）の出現を特徴づけること。
• スピン軌道結合と熱揺らぎの間の相互作用が超流動安定性に与える影響を検討すること。
• スピン間相互作用の強さが相図および超流動状態と絶縁体状態の間の転移に与える影響を特定すること。

提案手法

• 2次元正方形光学格子上に、ラシバスピン軌道結合を有する2成分ボーズ・ハッバードハミルトニアンを用いる。
• 多数体問題を解くために平均場ゲッツヴィラー法を適用し、超流動秩序パラメータを計算する。
• 有限温度における原子占有数や運動量分布などの熱平均観測量を計算する。
• hopping 強度、スピン軌道結合、相互作用パラメータを変化させることで相図を分析する。
• 秩序パラメータ、運動量分布、スピンテクスチャを用いて超流動相を特徴づける。
• ゼロ温度と有限温度での結果を比較し、超流動相の熱的安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラシバスピン軌道結合は、2次元ボーズ・ハッバード系においてどのように有限運動量超流動相を誘導するか？
• RQ2 スピン間相互作用とスピン内相互作用の役割は、超流動相の性質を決定づけるか？
• RQ3 熱揺らぎは、位相ねじれ型超流動の安定性および通常流動状態への転移にどのように影響するか？
• RQ4 モット絶縁体から位相ねじれ型超流動への転移の臨界 hopping 強度は何か？また、スピン軌道結合に依存するか？
• RQ5 有限温度においてスピン軌道結合は、特に超流動秩序の融解に関連して、相図をどのように変化させるか？

主な発見

• スピン間相互作用が弱い場合、スピン軌道結合により2つの有限運動量超流動相が誘導される：低 hopping 時に位相ねじれ型（PT）超流動相が、高 hopping 時にストライプ型（ST）超流動相が現れる。
• 低 hopping 時に、PT 超流動相はモット絶縁相の安定領域を小さくする。
• スピン間相互作用が強い場合、系は PT 超流動相から z 方向に偏ったフェロ磁性（zFM）超流動相へと転移する。
• ゼロ温度では、モット絶縁体から PT 超流動相への転移の臨界 hopping 強度はスピン軌道結合の増加に伴い減少し、平均場予測と整合的である。
• 有限温度では、熱揺らぎが PT 超流動秩序を破壊し、広範な通常流動相領域を生じさせる。
• PT 超流動相の融解は、広範なストライプ型通常流動相領域をもたらし、有限運動量超流動性の熱的安定性が低下していることを示している。