[论文解读] Spin-orbit coupling driven superfluid states in optical lattices at zero and finite temperatures

Kuldeep Suthar, Pardeep Kaur+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 50被引用 6

一句话总结

本研究采用平均场Gutzwiller理论，研究了具有Rashba自旋-轨道耦合的二维自旋-轨道耦合玻色- Hubbard模型在零温与有限温下的量子相变。结果表明，自旋-轨道耦合可诱导出不同的动量空间超流相——相位扭曲超流与条纹超流，具体取决于自旋间相互作用强度；热涨落会抑制相位扭曲超流性，同时稳定正常流体态。

ABSTRACT

We investigate the quantum phase transitions of a two-dimensional Bose-Hubbard model in the presence of a Rashba spin-orbit coupling with and without thermal fluctuations. The interplay of single-particle hopping, strength of spin-orbit coupling, and interspin interaction leads to superfluid phases with distinct properties. With interspin interactions weaker than intraspin interactions, the spin-orbit coupling induces two finite-momentum superfluid phases. One of them is a phase-twisted superfluid that exists at low hopping strengths and reduces the domain of insulating phases. At comparatively higher hopping strengths, there is a transition from the phase-twisted to a finite momenta stripe superfluid. With interspin interactions stronger than the intraspin interactions, the system exhibits phase-twisted to ferromagnetic phase transition. At finite temperatures, the thermal fluctuations destroy the phase-twisted superfluidity and lead to a wide region of normal-fluid states. These findings can be observed in recent quantum gas experiments with spin-orbit coupling in optical lattices.

研究动机与目标

• 研究具有Rashba自旋-轨道耦合的两组分玻色-Hubbard模型中的量子相变。
• 表征由自旋-轨道耦合驱动的有限动量超流相（相位扭曲与条纹）的出现机制。
• 研究自旋-轨道耦合与热涨落之间的相互作用对超流稳定性的影响。
• 确定自旋间相互作用强度如何调制相图，并调控超流与绝缘态之间的相变。

提出的方法

• 在二维正方形光晶格上采用具有Rashba自旋-轨道耦合的两组分玻色-Hubbard哈密顿量。
• 应用平均场Gutzwiller方法求解多体问题，并计算超流序参量。
• 计算有限温度下的热平均观测量，如原子占据数与动量分布。
• 通过调节跃迁积分、自旋-轨道耦合与相互作用参数，分析相图。
• 通过序参量、动量分布与自旋纹理表征超流相。
• 对比零温与有限温下的结果，评估超流相的热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Rashba自旋-轨道耦合如何在二维玻色-Hubbard系统中诱导出有限动量超流相？
• RQ2 自旋间相互作用与自旋内相互作用在决定超流相性质方面分别起什么作用？
• RQ3 热涨落如何影响相位扭曲超流的稳定性，并促进向正常流体态的转变？
• RQ4 Mott绝缘体向相位扭曲超流相转变的临界跃迁积分是多少？其如何依赖于自旋-轨道耦合强度？
• RQ5 自旋-轨道耦合在有限温度下如何改变相图，特别是对超流序的熔化行为有何影响？

主要发现

• 在较弱的自旋间相互作用下，自旋-轨道耦合诱导出两种有限动量超流相：低跃迁积分下为相位扭曲（PT）超流，高跃迁积分下为条纹（ST）超流。
• 在低跃迁积分下，PT超流会减小Mott绝缘相的稳定区域。
• 在较强的自旋间相互作用下，系统从PT超流相转变为z方向极化的铁磁性（zFM）超流相。
• 在零温下，随着自旋-轨道耦合增强，Mott绝缘体向PT超流相转变的临界跃迁积分减小，与平均场预测一致。
• 在有限温度下，热涨落会破坏PT超流序，导致出现广阔的正常流体态区域。
• PT超流相的熔化导致形成宽广的条纹正常流体态区域，表明有限动量超流性的热稳定性降低。