[论文解读] Superfluidity and Phase Correlations of Driven Dissipative Condensates

J. Keeling, L. M. Sieberer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文利用非平衡场论框架，研究了驱动耗散凝聚态（如极化激元和光子凝聚态）中的超流性和相位相干性。研究发现，在二维系统中，各向同性系统由于KPZ型非线性而失去代数相位序，但各向异性系统可保持代数关联；即使没有玻色-爱因斯坦凝聚，超流性依然存在，相位刚度是其关键指标，但直接探测超流响应的实验手段仍难以实现。

ABSTRACT

We review recent results on the coherence and superfluidity of driven dissipative condensates, i.e., systems of weakly-interacting non-conserved Bosons, such as polariton condensates. The presence of driving and dissipation has dramatically different effects depending on dimensionality and anisotropy. In three dimensions, equilibrium behaviour is recovered at large scales for static correlations, while the dynamical behaviour is altered by the microscopic driving. In two dimensions, for an isotropic system, drive and dissipation destroy the algebraic order that would otherwise exist, however a sufficiently anisotropic system can still show algebraic phase correlations. We discuss the consequences of this behaviour for recent experiments measuring phase coherence, and outline potential measurements that might directly probe superfluidity.

研究动机与目标

• 阐明驱动耗散系统（特别是二维系统）中超流性、玻色-爱因斯坦凝聚与相位相干性的区别。
• 研究驱动与耗散如何影响非平衡稳态下长程相位关联与超流响应。
• 确定在二维驱动耗散凝聚态中，无非对角长程序（ODLRO）时超流性是否仍可存在。
• 识别超流性的实验信号与探测方法，特别是超流分数。
• 研究涡旋与拓扑缺陷在驱动耗散系统中的作用，包括其螺旋结构与动力学行为。

提出的方法

• 使用随机Gross-Pitaevskii方程（cGPE）模拟弱相互作用、非守恒的玻色子，具有连续泵浦与衰减。
• 将驱动耗散系统映射至Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）方程，分析各向同性二维系统中代数序的破坏。
• 应用相位刚度形式化方法，通过相位扭转或旋转响应定义超流性，该方法独立于凝聚态。
• 分析驱动系统中的涡旋结构，表明由于非守恒流与局域增益导致密度耗尽，形成螺旋构型。
• 考虑干涉成像（带角度偏移）与能量分辨成像等实验探测手段，以检测涡旋与涡旋晶格。
• 评估超流响应函数χij(q,ω)，以定义超流密度并评估直接测量的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维驱动耗散凝聚态中，无非对角长程序或玻色-爱因斯坦凝聚时，超流性是否仍可存在？
• RQ2 由驱动与耗散引起的Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）非线性如何影响二维系统中代数相位关联的存在性？
• RQ3 系统各向异性在保持驱动耗散凝聚态中代数相位序方面起何作用？
• RQ4 驱动系统中螺旋涡旋结构如何改变涡旋相互作用及Kosterlitz-Thouless相变的性质？
• RQ5 哪些实验测量可直接探测驱动耗散凝聚态中的超流分数？

主要发现

• 在三维系统中，大尺度静态关联恢复平衡态行为，但动力学性质受微观驱动影响。
• 在各向同性二维系统中，KPZ映射导致相位关联呈指数衰减，破坏代数序并阻止真正长程序的形成。
• 在强各向异性二维系统中，由于有效非线性降低，代数相位关联可得以维持，从而可能实现超流性。
• 超流性可独立于玻色-爱因斯坦凝聚存在，表现为即使无ODLRO，相位刚度仍非零。
• 驱动耗散系统中的涡旋因密度耗尽核心附近电流发散而发展出螺旋结构，改变涡旋动力学与相互作用。
• 直接实验测量超流响应函数尚未实现，这是确认超流性为热力学或有限尺寸效应的关键挑战。