[論文レビュー] Twisted unwinding of multi-charged quantum vortex and generation of turbulence in atomic Bose-Einstein condensates

G. D. Telles, P. E. S. Tavares+6 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、トラップ内の原子Bose-Einstein凝縮体における四重に量子化されたストリングのねじれ解体が、得られる単一に量子化されたストリングにヘリカルケルビン波を生成することを示している。数値シミュレーションと実験により、このプロセスがほぼ等方的な量子乱流状態を自然に生成することが判明し、パワー則に従う速度統計を示す。これは、凝縮体の断片化や大規模な摂動を顕著に伴わず、乱流を生成する洗練された手法を提供する。

ABSTRACT

We report the observation of the twisted decay of quadruply charged vortices in an atomic Bose-Einstein condensate. Supporting numerical simulations show that the singly-charged vortices, which result from the decay of a multi-charged vortex, twist around intertwined in the shape of helical Kelvin waves. Finally, we propose to apply this effect to generate an almost isotropic state of turbulence which we characterize in terms of the velocity statistics.

研究の動機と目的

• トラップ内の原子Bose-Einstein凝縮体における多重に量子化されたストリングの崩壊のダイナミクスを調査すること。
• 多重に量子化されたストリングの崩壊過程でヘリカルケルビン波がどのように発生するかを理解すること。
• この崩壊プロセスが等方的量子乱流を生成するメカニズムとしての可能性を調査すること。
• 得られた乱流の統計を超流動ヘリウムおよび古典的乱流のものと比較すること。
• 凝縮体の断片化や大規模な密度揺らぎを最小限に抑える量子乱流生成手法を開発すること。

提案手法

• 本研究では、レンズ型の 87Rb Bose-Einstein凝縮体にトポロジカル位相インプリンティングを用いて四重に量子化されたストリングを生成した。
• 磁気バイアス場の制御された反転（5 ms）を伴うソーセージ型磁気トラップ内で、ストリングの崩壊を実験的に観測した。
• 数値シミュレーションは、実時間におけるグロス＝ピタエフケィ方程式を解き、摂動の有無にかかわらずストリングの進化をモデル化した。
• ストリングの崩壊の開始を誘発・制御するために、小さなコアのずれ（≈a_ho/5）および調和トラップの異方的圧縮（ωx/ωy = 0.9）といった摂動を用いた。
• 速度統計は、凝縮体の速度成分の確率密度関数（PDF）を分析することで評価され、パワー則のスケーリングを特定した。
• この手法は、反対方向に配置されたn=2ストリング2つを用いて、乱流トゥングルを生成し、等方性および乱流特性を評価するために拡張された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラップ内の原子BECにおける四重に量子化されたストリングの崩壊はどのように進行するのか。また、ヘリカルケルビン波はその過程でどのような役割を果たすのか。
• RQ2 ねじれストリングの解体を引き起こす摂動は何か。初期条件にどれほど感応的か。
• RQ3 多重量子化ストリングの崩壊が、等方的速度統計を示す量子乱流状態を生成できるか。
• RQ4 得られた乱流の速度PDFは、超流動ヘリウムおよび古典的乱流のものと比べてどのように異なるか。
• RQ5 既存の乱流生成手法と比較して、この手法は凝縮体の断片化や大規模な密度揺らぎをどの程度回避できるか。

主な発見

• n=4ストリングの崩壊により、4つの単一に量子化されたストリングが生成され、互いにヘリカルな配置でねじれを形成し、ケルビン波を生成する。
• 数値シミュレーションにより、ストリングコアのわずかなずれ（≈a_ho/5）が約12 msでねじれ解体を誘発するのに対し、より大きなずれ（≈a_ho/2）では10 msに短縮される。
• 崩壊を開始する最も効率的な方法は、トラップポテンシャルの異方的圧縮（ωx/ωy = 0.9）であり、これによりわずか5 msで崩壊が誘発される。
• 実験におけるホールド時間5 msは、シミュレーションでの崩壊開始時刻と一致しており、制御系の小さな不安定性がプロセスの誘発に十分であることを示している。
• 反対方向に配置されたn=2ストリングから生成された乱流状態は、初期には異方的（vy/vx ≈ 1, vz/vx ≈ 0）であったが、ほぼ等方的（vy/vx ≈ 0.98, vz/vx ≈ 0.63）に進化した。
• 生成された乱流状態の速度PDFは、高エネルギー域でパワー則のスケーリングを示し、これは古典的乱流のガウス分布とは異なり、量子乱流の特徴的性質である。