[論文レビュー] Superfluidity and Phase Correlations of Driven Dissipative Condensates

J. Keeling, L. M. Sieberer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ポラリトンや光子凝縮など、駆動・散逸的凝縮系における超流動性および位相相関性を、非平衡場理論の枠組みで調査している。2次元系においては、KPZ型非線形性のため等方的系は代数的位相秩序を失うが、異方的系では代数的相関が維持される。ボーズ＝アインシュタイン凝縮がなくても超流動性は存続し、位相剛性がその主要な指標であるが、超流動応答の直接的実験的測定は未だ達成されていない。

ABSTRACT

We review recent results on the coherence and superfluidity of driven dissipative condensates, i.e., systems of weakly-interacting non-conserved Bosons, such as polariton condensates. The presence of driving and dissipation has dramatically different effects depending on dimensionality and anisotropy. In three dimensions, equilibrium behaviour is recovered at large scales for static correlations, while the dynamical behaviour is altered by the microscopic driving. In two dimensions, for an isotropic system, drive and dissipation destroy the algebraic order that would otherwise exist, however a sufficiently anisotropic system can still show algebraic phase correlations. We discuss the consequences of this behaviour for recent experiments measuring phase coherence, and outline potential measurements that might directly probe superfluidity.

研究の動機と目的

• 駆動・散逸的系、特に2次元系において、超流動性、ボーズ＝アインシュタイン凝縮、位相相関性の違いを明確にすること。
• 駆動および散逸が非平衡定常状態における長距離位相相関および超流動応答に与える影響を調査すること。
• 2次元駆動・散逸的凝縮系において、非対角的長距離秩序（ODLRO）が存在しない状況でも超流動性が成立しうるかを特定すること。
• 特に超流動分率を含めた、超流動性の実験的シグナルおよびプローブを同定すること。
• 渦やトポロジカルな欠陥が駆動・散逸的系に果たす役割、特にそのスパイラル構造およびダイナミクスを検討すること。

提案手法

• 弱い相互作用を有する非保存ボソン系を、連続的なポンピングと崩壊を伴う確率的グロス＝ピタエフスキー方程式（cGPE）でモデル化する。
• 駆動・散逸系をカーダル＝パルティ・ジン（KPZ）方程式に写像し、等方的2次元系における代数的秩序の崩壊を分析する。
• 位相剛性形式を用いて、凝縮とは独立して位相ねじれや回転に対する応答によって超流動性を定義する。
• 駆動系における渦構造を分析し、非保存電流および密度低下に起因する局所的増幅により、スパイラル構造が生じることを示す。
• 干渉像法（角度ずれ付き）やエネルギー分解像法を用いた実験的プローブを検討し、渦や渦格子を検出する。
• 超流動応答関数 χij(q,ω) を評価し、超流動密度を定義し、直接測定の可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元駆動・散逸的凝縮系において、非対角的長距離秩序やボーズ＝アインシュタイン凝縮が存在しない状況でも超流動性が成立しうるか？
• RQ2 駆動および散逸に起因するカーダル＝パルティ・ジン（KPZ）非線形性が、2次元系における代数的位相相関の存在に与える影響は何か？
• RQ3 系の異方性が、駆動・散逸的凝縮系における代数的位相秩序の維持に果たす役割は何か？
• RQ4 駆動系におけるスパイラル型渦構造が、渦の相互作用およびコスターリッツ＝トゥースの遷移の性質に与える影響は何か？
• RQ5 どのような実験的測定が、駆動・散逸的凝縮系における超流動分率を直接的にプローブできるか？

主な発見

• 3次元系では、大スケールの静的相関が平衡状態に類似した振る舞いを示すが、微視的駆動の影響により動的性質が変化する。
• 等方的2次元系では、KPZ写像により位相相関が指数関数的に減衰し、代数的秩序が破壊され、真の長距離秩序が成立しない。
• 強く異方的な2次元系では、有効非線形性が低減されるため、代数的位相相関が維持され、超流動性の可能性が生じる。
• 超流動性はボーズ＝アインシュタイン凝縮とは独立して存在しうる。非対角的長距離秩序（ODLRO）がなくても、非ゼロの位相剛性が観測される。
• 駆動・散逸系における渦は、密度低下領域の周囲で電流が発散するため、スパイラル構造を形成し、渦のダイナミクスおよび相互作用が変化する。
• 超流動応答関数の直接的測定は未達成であり、超流動性が熱力学的または有限サイズ効果として成立するかを確認する上で、主要な課題のままである。