[论文解读] Gravity waves on the surface of topological superfluid 3He-B

V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2013

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 3

一句话总结

本研究首次在低于0.2 mK的温度下，实验观测到超冷拓扑超流体³He-B自由表面的引力波。利用磁振子准粒子的玻色-爱因斯坦凝聚体作为高灵敏度探针，作者检测到表面波模式，并观察到表面振荡引起的磁振子凝聚体温度依赖性阻尼及增强的弛豫，提示其可能与表面束缚的马约拉纳费米子存在耦合。

ABSTRACT

We have observed waves on the free surface of 3He-B sample at temperatures below 0.2mK. The waves are excited by vibrations of the cryostat and detected by coupling the surface to the Bose-Einstein condensate of magnon quasiparticles in the superfluid. The two lowest gravity-wave modes in our cylindrical container are identified. Damping of the waves increases with temperature linearly with the density of thermal quasiparticles, as expected. Additionally finite damping of the waves in the zero-temperature limit and enhancement of magnetic relaxation of magnon condensates by the surface waves are observed. We discuss whether the latter effects may be related to Majorana fermions bound to the surface of the topological superfluid.

研究动机与目标

• 在极低温下探测拓扑超流体³He-B自由表面的引力波。
• 研究表面波阻尼随温度和准粒子密度的变化关系。
• 通过磁振子凝聚体弛豫行为探测表面波与表面束缚马约拉纳费米子之间可能的耦合。

提出的方法

• 在T < 0.2 mK的³He-B圆柱形容器中，利用核磁共振（NMR）拾取线圈探测自由表面。
• 通过轨道各向异性轴的径向纹理和轴向磁场极小值形成的势阱，形成磁振子准粒子的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。
• 表面波振荡调制了势阱，导致磁振子BEC的拉莫尔进动频率发生偏移，通过NMR信号分析检测该偏移。
• 系统采用连续波NMR泵浦技术在m=2能级维持基态BEC，同时测量由表面波引起的频率偏移。
• 在关闭泵浦后测量磁振子BEC的弛豫时间，调制由表面波或周期性磁场变化引起。
• 通过带通滤波分离出基态凝聚体信号，实现对频率和振幅调制的精确追踪。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在低于0.2 mK的温度下，实验观测到³He-B表面的引力波？
• RQ2 在超流体中，表面波的阻尼如何随温度和准粒子密度变化？
• RQ3 观测到的磁振子BEC弛豫增强是否由表面波调制引起，且是否可能与表面束缚马约拉纳费米子相关？
• RQ4 在零温下观测到的有限阻尼是否暗示存在超越热激发准粒子的新型弛豫机制？
• RQ5 磁振子BEC能否作为表面波动力学和拓扑表面态的高灵敏度探针？

主要发现

• 在低于0.2 mK的温度下观测到³He-B自由表面的引力波，圆柱形容器中识别出两个最低振荡模式。
• 波的阻尼随温度线性增加，与热激发准粒子的阻尼机制一致，并在零温极限下外推至有限值。
• 磁振子BEC的弛豫速率随表面波振荡幅度的增大而增加，表明存在额外的弛豫通道。
• 当以相同频率通过磁场调制势阱时，该增强效应未被观测到，排除了直接调制诱导跃迁作为原因。
• 观测到的弛豫增强可能与表面束缚马约拉纳费米子的耦合有关，但需理论模型进一步确认。