[论文解读] Stability of persistent currents in open-dissipative quantum fluids

Guangyao Li, M. D. Fraser+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Strong Light-Matter Interactions被引用 24

一句话总结

本文通过使用平均场耗散 Gross-Pitaevskii 方程，研究了在光致环形势阱中受限的开放耗散激子-极化子凝聚态中持久电流的稳定性。结果表明，尽管振荡性动力不稳定性的出现可能引发超流的衰减或切换，但在大范围参数空间中，具有高角动量的亚稳态持久电流仍可无限期持续存在，即使由于内在增益与损耗机制的存在而违反了传统的 Landau 准则。

ABSTRACT

The phenomenon of stable persistent currents is central to the studies of superfluidity in a range of physical systems. While all of the previous theoretical studies of superfluid flows in annular geometries concentrated on conservative systems, here we extend the stability analysis of persistent currents to open-dissipative exciton-polariton superfluids. By considering an exciton-polariton condensate in an optically-induced annular trap, we determine stability conditions for an initially imposed flow with a non-zero orbital angular momentum. We show, theoretically and numerically, that the system can sustain metastable persistent currents in a large parameter region, and describe scenarios of the supercurrent decay due to the dynamical instability.

研究动机与目标

• 将持久电流的稳定性分析从保守超流体扩展至开放耗散的激子-极化子系统。
• 确定在非平衡、开放耗散量子流体中，量子化环流得以维持的条件。
• 研究环形极化子凝聚态中动力学（调制）不稳定性和能量不稳定性的相互作用。
• 评估在实验可实现的光阱极化子系统中观测持久电流的可行性。

提出的方法

• 使用无量纲耗散 Gross-Pitaevskii 方程与激子库的速率方程耦合，对极化子凝聚态进行建模。
• 采用拉盖尔-高斯泵浦光束在不向凝聚态传递角动量的情况下，产生环形势阱。
• 通过求解耦合方程的时间无关解，分析具有固定轨道角动量 m 的稳态解。
• 通过在稳态附近对微小扰动进行线性稳定性分析，评估动力稳定性，识别调制不稳定性（MI）的增长率。
• 通过数值模拟时间演化，观察在扰动下持久电流的衰减、切换或恢复行为。
• 应用 Landau 准则评估能量稳定性，考虑由于增益与损耗导致激发谱中存在非零实部。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，具有非零轨道角动量的持久电流可在开放耗散量子流体中保持动力学稳定？
• RQ2 增益、损耗与非线性相互作用的相互作用如何影响极化子凝聚态中超流的寿命？
• RQ3 在非平衡、耗散系统中，传统的超流性 Landau 准则在多大程度上失效？
• RQ4 此类系统中持久电流衰减或切换的机制是什么？
• RQ5 在存在动力不稳定性的情况下，亚稳态超流能否在参数区域内无限期维持？

主要发现

• 具有高角动量的持久电流易受振荡性动力不稳定性影响，导致其衰减或切换至新的稳态。
• 在大范围参数空间中，特别是当 m ≪ m_ds 时，持久电流保持动力学稳定，即使在中等扰动下也能持续存在。
• 系统表现出可无限期持续的亚稳态超流，当最大不稳定性增长率 Γ 低于不稳定性发展的阈值时尤为明显。
• 尽管由于激发谱中负能量贡献的存在，Landau 准则在形式上被违反，但在非 MI 区域，激发的指数衰减抑制了能量不稳定性。
• 数值模拟证实，在区域 II（m_ds > 0）中，系统在不稳定性触发的切换后可实现动态修复并达到新的稳定态；而在区域 I（m_ds = 0）中，衰减是不可逆的。
• 从稳定到不稳定行为的转变是宽泛且渐进的，不稳定性增长率 max(Γ) 决定了不稳定区域中的衰减速率。