[论文解读] Anomalous thermoelectric transport in two-dimensional Bose gas

E.L. Hazlett, Li-Chung Ha+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 20被引用 7

一句话总结

本研究提出一种新颖的原位成像方法，从弱三体复合驱动的二维超冷玻色气体中提取热电输运性质——特别是塞贝克系数和洛伦兹数。研究揭示了异常行为，包括塞贝克系数在正常相中为正，在超流相中变为负，表明超流体逆热流方向流动。

ABSTRACT

In condensed matter physics, transport measurements are essential not only for the characterization of materials, but also to discern between quantum phases and identify new ones. The extension of these measurements into atomic quantum gases is emerging and will expand the scope of quantum simulation and atomtronics. To push this frontier, we demonstrate an innovative approach to extract transport properties from the time-resolved redistribution of the particles and energy of a trapped atomic gas. Based on the two-dimensional (2D) Bose gas subject to weak three-body recombination we find clear evidence of both conductive and thermoelectric currents. We then identify the contributions to the currents from thermoelectric forces and determine the Seebeck coefficient (a.k.a. thermopower) and Lorenz number, both showing anomalous behavior in the fluctuation and superfluid regimes. Our results call for further exploration of the transport properties, particularly thermoelectric properties, of atomic quantum gases.

研究动机与目标

• 开发一种从超冷原子气体的时间分辨原位图像中提取输运系数的方法。
• 表征二维玻色气体在正常相、涨落相与超流相之间的热电输运行为。
• 测量量子简并玻色气体中的塞贝克系数与洛伦兹数，并评估其在量子相变附近的演化行为。
• 利用超冷原子作为量子模拟器，检验强关联量子系统中线性响应输运理论的有效性。

提出的方法

• 通过拟合密度分布的尾部，从原位密度分布中提取中心化学势 μ₀(t) 和温度 T(t)。
• 利用方程态关系，从测量的密度分布重建能量密度分布 e(r,t)。
• 将三体复合损失建模为 sₚ = -k n³，其中 k 由边界条件确定，利用连续性方程计算粒子流 jₚ(r,t)。
• 从三体复合加热的能量源项 sₑ 出发，利用连续性方程推导能量流 jₑ(r,t)。
• 基于线性响应理论，将流密度 jₚ 与 jₑ 分解为热力学力 fₚ = -∇(μ/T) 与 fₑ = ∇(1/T)。
• 通过线性分解与昂萨格倒易关系，提取动力学系数——包括塞贝克系数 ℒ 与洛伦兹数 ℒ。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从超冷原子气体的时间分辨原位成像中提取塞贝克系数与洛伦兹数等输运系数？
• RQ2 在二维玻色气体中，从正常相到超流相的交叉过程中，塞贝克系数的行为如何？
• RQ3 在二维玻色气体的涨落相与超流相中，洛伦兹数是否保持恒定，或表现出异常行为？
• RQ4 超冷原子气体中的热电输运能否揭示超流反流的特征，例如逆温度梯度流动？

主要发现

• 在超流相中，塞贝克系数变为负值，表明在无化学势梯度条件下，超流体从冷区流向热区。
• 塞贝克系数的符号变化发生在约 μ = 0.53(10) 的超流相变点附近，与 ⁴He 中的喷泉效应类似，表明存在超流反流行为。
• 洛伦兹数在流体动力学区域内保持正值，但在超流相中呈现平缓下降趋势，实验不确定性较大，限制了其渐近行为的精确表征。
• 测得三体复合损失系数为 k = 1.34(8)×10⁻¹⁸ cm⁻⁴s⁻¹，证实三体复合是主要损失机制。
• 粒子流在中心区域因损失而呈现向内流动，在密度尾部因加热而呈现向外流动，表明导电电流与热电电流共存。
• 在涨落相与超流相中，系统处于流体动力学状态（l ≈ 1–5 μm），验证了线性响应输运理论的适用性。