[论文解读] Domain walls in two-component Bose-Einstein condensates

D. T. Son, Mikhail Stephanov|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2001

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 8

一句话总结

本文研究了在超精细自旋态之间具有微小拉比耦合的两组分玻色-爱因斯坦凝聚体中的域壁，表明当相对相位变化2π时形成这些壁。壁张力介导了涡旋之间的长程相互作用，且在零温与有限温度下，域壁对自发衰变均表现出指数稳定性，衰变抑制率在小拉比频率下已量化。

ABSTRACT

We consider a system of two interpenetrating Bose-Einstein condensates of atoms in two different hyperfine spin states. We show that in the presence of a small coupling drive between the two spin levels, there exist domain walls across which the relative phase of the two condensates changes by 2π. We give the physical interpretation of such walls. We show that the wall tension determines the force between certain pairs of vortices at large distances. We also show that the probability of the spontaneous decay of the domain wall is exponentially suppressed, both at finite and at zero temperature, and determine the exponents in the regime of small Rabi frequency. We briefly discuss how such domain walls could be created in future experiments. I.

研究动机与目标

• 理解具有组间耦合的两组分玻色-爱因斯坦凝聚体中域壁的形成与稳定性。
• 确定域壁张力如何影响涡旋对之间的长程相互作用力。
• 分析有限温度与零温度下域壁衰变的量子抑制机制。
• 为未来超冷原子实验中实现此类域壁提供理论框架。

提出的方法

• 使用包含拉比耦合项的耦合格罗斯-皮塔耶夫斯基方程建模两组分玻色-爱因斯坦凝聚体。
• 将静态域壁解作为相对序参量中具有2π相位缠绕的拓扑缺陷进行分析。
• 通过沿域壁剖面积分能量密度计算壁张力。
• 应用瞬子技术计算有限温度下自发衰变的指数抑制率。
• 在小拉比频率区域使用微扰论推导衰变率的解析表达式。
• 通过将拉比耦合与超冷原子系统中现有的激光耦合技术关联，讨论实验可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有拉比耦合的两组分玻色-爱因斯坦凝聚体中，何种条件导致域壁的形成？
• RQ2 壁张力如何影响大距离下涡旋对之间的相互作用力？
• RQ3 域壁的自发衰变速率是多少？其与温度和拉比频率的关系如何？
• RQ4 域壁能否在零温与有限温度条件下均被抑制衰变？
• RQ5 何种实验设置可实现在超冷原子气体中实现并探测此类域壁？

主要发现

• 当两组分之间的相对相位因拉比耦合而变化2π时，域壁作为拓扑缺陷出现。
• 壁张力与相位不连续性的能量代价直接相关，并决定了涡旋对之间的长程相互作用。
• 在零温与有限温度下，自发衰变的概率均被指数抑制。
• 在小拉比频率极限下，抑制指数已通过解析方法推导，显示出强稳定性。
• 该系统支持寿命较长的域壁，使其在拓扑量子信息应用中具有可行性。
• 通过在具有两超精细态的捕获超冷原子中使用激光诱导拉比耦合，可实现该域壁。