[论文解读] Spin and mass superfluidity in ferromagnetic spin-1 BEC

É. B. Sonin|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文研究了铁磁性自旋-1玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中的自旋与质量超流性，表明由于涡旋的拓扑约束，超流性在易平面与易轴各向异性之间的相变点仍能持续存在。尽管朗道判据预测在相变点处两种超流均不稳定，但质量超流性仍保持稳定，因为仅特定类型的涡旋——具有特殊环绕比的非奇异涡旋——才会引发不足以导致完全衰减的相位滑移；Skyrmion核心分析证实了临界速度在相变过程中平滑变化。

ABSTRACT

The paper investigates coexistence and interplay of spin and mass superfluidity in a ferromagnetic spin-1 BEC. Superfluidity is possible only in the presence of uniaxial anisotropy (linear and quadratic Zeeman effect). This follows from the topology of the order parameter space (vacuum manifold). According to the Landau criterion the critical phase gradients, both for mass and spin supercurrents, vanish at the phase transition from the easy-plane to the easy-axis anisotropy. However, it is argued that mass superfluidity is still possible at the phase transition. This is because the Landau criterion signals instability only with respect to nonsingular vortices with special ratio between circulations of mass and spin currents. Phase slips produced by these vortices are not sufficient for complete decay of supercurrents. Full decay of supercurrents requires phase slips with vortices of another topological class and another (larger) energy. The analysis of skyrmions forming cores of non-singular vortices shows that the critical gradients (velocities) for mass superfluidity smoothly vary across the phase transition and do not vanish or have any anomaly in the critical point.

研究动机与目标

• 理解铁磁性自旋-1 BEC 中自旋与质量超流性的共存与相互作用。
• 分析单轴各向异性（线性与二次Zeeman效应）在实现超流性中的作用。
• 解决朗道判据预测不稳定但质量超流性在相变点仍持续存在的表面矛盾。
• 研究涡旋的拓扑分类及其在超流电流衰减中的相位滑移动力学。

提出的方法

• 通过分析序参量空间的真空流形拓扑，确定超流性的条件。
• 应用朗道判据评估质量与自旋超流的临界相位梯度。
• 根据拓扑荷与环绕比对涡旋进行分类，评估其对超流稳定性的影响。
• 将Skyrmion作为非奇异涡旋核心进行研究，以评估能量与相位滑移动力学。
• 使用拓扑场论区分奇异与非奇异涡旋类型及其临界能量阈值。
• 比较从易平面相到易轴相的相变过程中，超流衰减的临界梯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，铁磁性自旋-1 BEC 中的自旋与质量电流可共存超流性？
• RQ2 为何尽管朗道判据预测不稳定，质量超流性在相变点仍能持续存在？
• RQ3 哪类拓扑涡旋会引发超流的完全衰减？该过程的能量尺度为何？
• RQ4 非奇异涡旋中的Skyrmion核心如何影响质量超流性的临界速度？
• RQ5 超流性的临界相位梯度在相变点是否表现出异常或不连续？

主要发现

• 自旋与质量电流的超流性均需单轴各向异性，其根源在于真空流形的拓扑结构。
• 朗道判据仅对携带特定质量与自旋流环绕比的非奇异涡旋提示不稳定性。
• 此类涡旋引发的相位滑移不足以完全衰减超流，因而质量超流性在相变点得以保持。
• 完全衰减超流需要另一类拓扑类别的涡旋，其能量更高，未被朗道判据所涵盖。
• 质量超流性的临界相位梯度在相变过程中平滑变化，无任何不连续或异常。
• 非奇异涡旋中Skyrmion核心结构证实，超流性的临界速度在相变点保持有限且连续。