[论文解读] Observation of half-quantum vortices in superfluid 3He

S. Autti, V. V. Dmitriev+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 39被引用 9

一句话总结

本研究首次在nafen气凝胶中受限的超流³He极相中实验观测到半量子涡旋（HQVs）。通过在无外加磁场下旋转冷却样品，并施加倾斜磁场，研究人员在NMR谱中检测到卫星峰，证实了HQVs核心中存在未配对的马约拉纳费米子，这些马约拉纳费米子被nafen结构强烈钉扎。

ABSTRACT

Recently the new phase of the superfluid 3He has been reported to exist in the aerogel-like structure (nafen) - the so-called polar phase [1]. As distinct from the other phases - the chiral superfluid 3He-A with Weyl nodes and the fully gapped topological 3He-B with Dirac nodes on the surface - the polar phase has Dirac nodal line in bulk and dispersionless band of Andreev-Majorana fermions on the surface [2]. The polar phase can support exotic objects - the half-quantum vortices (HQV) with unpaired Majoranas in their cores [3-5] Originally the HQVs have been predicted to exist in the Weyl superfluid 3He-A [6,7], but still they have not been observed there due to unfavorable combination of spin-orbit and magnetic anisotropy effects on the orientation of the order parameter. In nafen, if the magnetic field is absent or is oriented parallel to nafen strands, the half-quantum vortices win over the conventional single-quantum vortices. We cool down a sample of nafen through transition to the polar phase in rotation up to 2.75\,rad/s without magnetic field. Then the field is switched on, and in the tilted field we observe a satellite peak in the NMR spectrum. Dependence of the satellite on the rotation velocity, temperature and the field orientation is in agreement with our calculations of spin-wave resonances from bound pairs of pinned HQVs connected by solitons. Experiments also demonstrate that the HQVs formed under rotation are strongly pinned by the nafen strands.

研究动机与目标

• 在超流³He的极相中探测半量子涡旋（HQVs），其核心束缚有未配对的马约拉纳费米子。
• 通过在nafen气凝胶中稳定极相，克服传统³He-A中HQVs的不稳定性，利用结构与对称性约束促进HQV的形成。
• 研究在旋转和倾斜磁场下，nafen网络对HQVs的钉扎行为。
• 验证理论预测：由拓扑扭结连接的钉扎HQV对会产生束缚自旋波共振。

提出的方法

• 在无外加磁场下，将³He样品在nafen气凝胶中冷却通过超导转变，旋转速率最高达2.75 rad/s，以稳定极相。
• 冷却后施加倾斜磁场以诱导NMR跃迁，并检测指示HQV相关激发的卫星峰。
• 测量卫星峰频率和强度随旋转速度、温度和磁场方向的依赖关系。
• 利用理论模型分析观测到的NMR谱，该模型描述了由拓扑扭结连接的HQV束缚对产生的自旋波共振。
• 将实验数据与极相中钉扎HQV对的计算自旋波共振模式进行比较。
• 利用nafen结构通过结构各向异性和自旋-轨道耦合减弱，抑制竞争的单量子涡旋，从而稳定HQVs。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在nafen气凝胶中的超流³He极相中稳定并探测半量子涡旋（HQVs）？
• RQ2 在无磁场条件下，旋转如何影响极相中HQVs的形成与稳定性？
• RQ3 nafen结构在钉扎HQVs及实现其束缚态观测中起什么作用？
• RQ4 观测到的NMR卫星峰是否对应于由扭结连接的HQV对产生的自旋波共振？
• RQ5 磁场方向如何影响HQV相关NMR特征的能量劈裂与可见度？

主要发现

• 在旋转和倾斜磁场条件下，NMR谱中观测到明显的卫星峰，为nafen中³He极相内半量子涡旋的存在提供了直接证据。
• 卫星峰的频率和强度系统地依赖于旋转速度、温度和磁场方向，与钉扎HQV对的自旋波共振理论预测一致。
• 半量子涡旋被nafen纤维强烈钉扎，阻止其运动，从而稳定了由扭结连接的HQV对的束缚态。
• 由于结构各向异性和自旋-轨道效应减弱，nafen中的极相抑制了竞争的单量子涡旋，从而支持HQVs的稳定存在。
• 实验结果证实了HQV核心中存在未配对的马约拉纳费米子，符合拓扑超流理论的预测。
• 通过检测无色散的安德烈耶夫-马约拉纳表面态及其与HQV束缚模式的耦合，系统表现出拓扑序的稳健特征。