[论文解读] Torque And Angular-momentum Transfer In Merging Rotating Bose-einstein Condensates

Toshiaki Kanai, Wei Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 48被引用 8

一句话总结

本研究揭示了在旋转玻色-爱instein凝聚体（BEC）合并过程中，通过界面自发形成的孤子型“螺旋桨”结构实现角动量转移的新机制。与经典流体不同，该转移过程不依赖流体输运或涡旋漂移，而是由螺旋桨孤子直接施加的扭矩驱动，该扭矩在静态BEC中产生角动量，同时在旋转BEC中将其湮灭，且转移速率与初始角动量密度普遍成正比。

ABSTRACT

When rotating classical fluid drops merge together, angular momentum can be advected from one to another due to the viscous shear flow at the drop interface. It remains elusive what the corresponding mechanism is in inviscid quantum fluids such as Bose-Einstein condensates (BECs). Here we report our theoretical study of an initially static BEC merging with a rotating BEC in three-dimensional space along the rotational axis. We show that a solitonlike sheet, resembling a corkscrew, spontaneously emerges at the interface. Rapid angular momentum transfer at a constant rate universally proportional to the initial angular-momentum density is observed. Strikingly, this transfer does not necessarily involve fluid advection or drifting of the quantized vortices. We reveal that the corkscrew structure can exert a torque that directly creates angular momentum in the static BEC and annihilates angular momentum in the rotating BEC. Uncovering this intriguing angular momentum transport mechanism may benefit our understanding of various coherent matter-wave systems, spanning from atomtronics on chips to dark matter BECs at cosmic scales.

研究动机与目标

• 理解在无粘性条件下的量子流体中角动量输运机制。
• 识别在旋转玻色-爱instein凝聚体（BEC）中不依赖输运的角动量转移机制。
• 研究拓扑缺陷与孤子结构在BEC合并过程中介导动量交换的作用。
• 对沿旋转轴方向的旋转与静态BEC的三维合并动力学进行建模与模拟。
• 建立与中子星和暗物质晕等天体物理系统相关的机制。

提出的方法

• 使用四阶龙格-库塔时间积分法在三维空间中数值求解无量纲的格罗斯-皮塔耶夫斯基方程（GPE）。
• 采用虚时演化方法制备具有量子化涡旋线的初始基态。
• 实施圆柱形硬壁势阱，并引入可调的势垒以初始分隔两个BEC。
• 在t=0时突然移除势垒以启动合并动力学。
• 模拟空间分辨率△x=△y=△z=0.2，时间步长△t=4×10−5。
• 分析波函数相位、密度及角动量随时间的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维量子流体中，旋转与静态BEC合并时，其界面处会形成何种流体结构？
• RQ2 在无粘性剪切或流体输运的情况下，角动量如何在合并的BEC之间转移？
• RQ3 孤子结构能否在无涡旋漂移或质量输运的情况下直接介导扭矩？
• RQ4 角动量转移速率是否与初始角动量密度普遍成正比？
• RQ5 孤子型螺旋桨在各自凝聚体中产生与湮灭角动量的过程中起何种作用？

主要发现

• 在三维中，旋转与静态BEC合并的界面处，自发形成一种孤子型“螺旋桨”结构。
• 角动量转移以恒定速率发生，且与旋转BEC的初始角动量密度普遍成正比。
• 该转移机制不依赖流体输运或量子涡旋漂移，表明其为直接扭矩机制。
• 螺旋桨孤子施加的扭矩在初始静止的BEC中产生角动量，同时在旋转BEC中将其湮灭。
• 孤子的相位结构在界面处产生持续的相位跃迁，证实其孤子特性及其在动量转移中的作用。
• 该机制具有鲁棒性，可能在中子星合并及暗物质晕等天体物理系统中主导角动量交换。