[论文解读] Effect of Rashba spin-orbit and Rabi couplings on the excitation spectrum of binary Bose-Einstein condensates

Rajamanickam Ravisankar, Henrique Fabrelli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 76被引用 31

一句话总结

本研究利用Bogoliubov-de Gennes（BdG）理论，研究了具有Rashba自旋-轨道耦合与Rabi耦合的准二维双组分玻色-爱instein凝聚体的集体激发谱和动力学稳定性。结果表明，增大Rashba耦合会导致系统不稳定，而Rabi耦合则起到稳定作用，且罗顿最小值深度强烈依赖于耦合强度，该结论通过BdG本征谱和直接的GPE模拟得到验证。

ABSTRACT

We present the collective excitation spectrum analysis of binary Bose-Einstein condensates (BECs) with spin-orbit (SO) and Rabi couplings in a quasi-two-dimensional system. In particular, we investigate the role of SO and Rabi coupling strengths in determining the dynamical stability of the coupled BECs using Bogoliubov-de Gennes (BdG) theory. Using the eigenergy of BdG spectrum, we confirm the existence of phonon, roton, and maxon modes with weak repulsive intra- and inter-species contact interactions. The depth of the minimum corresponding to the roton mode depends strongly on the coupling strength. We find that the increase of the SO coupling leads to instability, while the increase in the Rabi coupling stabilizes the system. Also the eigenvectors of BdG spectrum indicates the presence of density like mode in the stable regime and spin like modes in unstable regimes. A phase diagram demonstrating the stability regime in the plane of SO and Rabi coupling strengths is obtained. Finally, we complement the observation of the excitation spectrum with the direct numerical simulation results of coupled Gross-Pitaevskii equations.

研究动机与目标

• 分析准二维环境中自旋-轨道耦合与Rabi耦合双组分玻色-爱instein凝聚体的动力学稳定性。
• 研究Rashba自旋-轨道耦合与Rabi耦合在激发模式和系统稳定性之间的相互作用。
• 在不同相互作用和耦合强度下，识别声子、罗顿和最大子模式的出现。
• 构建相图，映射Rashba-Rabi耦合强度平面上的稳定性区域。
• 通过耦合Gross-Pitaevskii方程的直接数值模拟验证BdG结果。

提出的方法

• 构建一个包含Rashba自旋-轨道耦合与Rabi耦合的两组分BEC的平均场哈密顿量。
• 从无量纲形式的耦合Gross-Pitaevskii方程推导单粒子能谱关系。
• 应用Bogoliubov-de Gennes（BdG）理论，通过本征能量和本征态计算激发谱并分析稳定性。
• 利用BdG本征谱识别声子、罗顿和最大子模式，并追踪其随耦合参数的变化。
• 对耦合Gross-Pitaevskii方程进行直接数值模拟，以验证BdG对基态稳定性的预测。
• 通过扫描Rashba与Rabi耦合强度，构建相图，以映射稳定与不稳定区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 Rashba自旋-轨道耦合如何影响准二维双组分BEC的动力学稳定性？
• RQ2 Rabi耦合在系统稳定或不稳定中起什么作用？
• RQ3 随着自旋-轨道耦合与Rabi耦合强度的变化，激发模式（声子、罗顿、最大子）如何演化？
• RQ4 罗顿最小值深度对耦合参数的依赖关系如何？
• RQ5 BdG谱的本征矢量如何反映稳定与不稳定相中集体模式的本质？

主要发现

• 增大Rashba自旋-轨道耦合会导致双组分BEC系统出现动力学不稳定性。
• Rabi耦合可稳定系统，抵消Rashba耦合带来的不稳定性。
• 激发谱中罗顿最小值的深度强烈依赖于Rashba和Rabi耦合强度。
• 在稳定区域，BdG本征矢量表现为密度型模式；在不稳定区域，自旋型模式占主导。
• 在Rashba-Rabi耦合强度平面上的相图清晰界定了稳定性区域。
• 耦合Gross-Pitaevskii方程的直接模拟结果验证了基于BdG的稳定性分析与激发谱特征。