[論文レビュー] Spontaneous generation of a half-quantum vortex in spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates

Congjun Wu, Ian Mondragon-Shem|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2008

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、等方的ラシバ結合とスピンに依存しない相互作用を有するスピン軌道結合系のボーズ・アインシュタイン凝縮系が、量子ゼロ点エネルギーによる選択作用によって時間反転対称性を自発的に破ることを示しており、強いトラップでは半量子化渦とスカイリオン型スピン構造を併せ持つ状態が、弱いトラップではスピンスパイラル凝縮状態が生じる。両者とも、秩序から無秩序のメカニズムに起因する。

ABSTRACT

According to the no-node theorem, many-body ground state wavefunctions of conventional Bose-Einstein condensations (BEC) are positive-definite, thus time-reversal symmetry cannot be spontaneously broken. We find that multi-component bosons with spin-orbit coupling provide an unconventional type of BECs beyond this paradigm. We focus on the subtle case of isotropic Rashba spin-orbit coupling and the spin-independent interaction. In the limit of the weak confining potential, the condensate wavefunctions are frustrated at the Hartree-Fock level due to the degeneracy of the Rashba ring. Quantum zero-point energy selects the spin-spiral type condensate through the order-from-disorder mechanism. In a strong harmonic confining trap, the condensate spontaneously generates a half-quantum vortex combined with the skyrmion type of spin texture. In both cases, time-reversal symmetry is spontaneously broken. These phenomena can be realized in both cold atom systems with artificial spin-orbit couplings generated from atom-laser interactions and exciton condensates in semi-conductor systems.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合が多成分ボーズ・アインシュタイン凝縮系に与える影響を調査し、従来のBECの枠組みを越えて時間反転対称性の破れを実現するメカニズムを解明すること。
• ハートリー・フォック近似におけるラシバリングの degeneracy を量子ゼロ点エネルギーがどのように解消するかを明らかにすること。
• 異なるトラップ条件におけるトポロジカルな欠陥、たとえば半量子化渦やスカイリオン型スピン構造の出現を特定すること。
• 人工スピン軌道結合を有する超冷却原子系や半導体励起子凝縮体において、これらの量子相が実現可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 等方的ラシバ結合とスピンに依存しない相互作用を有するスピン軌道結合系のボーズ・アインシュタイン凝縮系のハートリー・フォック基底状態を解析すること。
• 弱い束縛領域における量子ゼロ点エネルギーの最小化を用いて、秩序から無秩序のメカニズムによりスピンスパイラル凝縮状態の基底状態を選択すること。
• 強い調和トラップを用いて、半量子化渦とスカイリオン型スピン構造を併せ持つトポロジカルに非自明な状態を安定化させること。
• 平均場理論と対称性解析を用いて、弱いおよび強い束縛領域の両方で時間反転対称性の自発的破れを同定すること。
• スピン軌道結合、相互作用強度、トラップ幾何学の相互作用に基づいて、系の相図をマッピングすること。
• スピン軌道項を含むグロス＝ピタエフケイ方程式の解析的および数値的解法により、トポロジカル構造の出現を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノード定理に反するが、スピン軌道結合系のボーズ・アインシュタイン凝縮系においても、時間反転対称性が自発的に破れるか？
• RQ2 ハートリー・フォック近似におけるラシバリングの degeneracy が、量子ゼロ点エネルギーによってどのように特定の基底状態に選択されるか？
• RQ3 このような系において強い調和トラップが存在する場合、どのようなトポロジカル構造が出現するか？
• RQ4 秩序から無秩序のメカニズムは、半量子化渦とスカイリオン型スピン構造をどのように安定化させるか？
• RQ5 これらの量子相は、超冷却原子や半導体励起子凝縮体といった実験的に実現可能な系で実現可能か？

主な発見

• 弱い束縛領域では、ラシバリングの degeneracy が量子ゼロ点エネルギーによって解消され、秩序から無秩序のメカニズムによりスピンスパイラル型凝縮状態の基底状態が選択される。
• 強い調和トラップでは、系は自発的に半量子化渦とスカイリオン型スピン構造を併せ持つ状態を生成し、時間反転対称性を破る。
• スピンスパイラル状態およびボソン的渦-スカイリオン状態の両方が時間反転対称性を破り、ノード定理に従う従来のBEC挙動とは異なる振る舞いを示す。
• これらの相の出現は、古典的相互作用ではなく、量子揺らぎに起因しており、ゼロ点エネルギーがトポロジカル秩序の選択に果たす役割を強調している。
• 予測された相は、レーザー誘起スピン軌道結合を有する超冷却原子ガスおよび半導体励起子凝縮体で実現可能である。
• トラップ強度に応じて、異なる量子相のトポロジカル遷移が観測され、特に強い束縛領域ではボソン的渦-スカイリオン状態が出現する。