[论文解读] Twisted unwinding of multi-charged quantum vortex and generation of turbulence in atomic Bose-Einstein condensates

G. D. Telles, P. E. S. Tavares+6 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 3被引用 8

一句话总结

本文展示了在捕获的原子玻色-爱斯坦凝聚体中，四重电荷涡旋的扭曲解缠衰变会在生成的单重电荷涡旋上产生螺旋状凯尔文波。数值模拟与实验表明，该过程自然产生近乎各向同性的量子湍流态，具有幂律速度统计特性，提供了一种无需显著凝聚体碎片化或大尺度扰动的清洁湍流生成方法。

ABSTRACT

We report the observation of the twisted decay of quadruply charged vortices in an atomic Bose-Einstein condensate. Supporting numerical simulations show that the singly-charged vortices, which result from the decay of a multi-charged vortex, twist around intertwined in the shape of helical Kelvin waves. Finally, we propose to apply this effect to generate an almost isotropic state of turbulence which we characterize in terms of the velocity statistics.

研究动机与目标

• 研究捕获原子玻色-爱斯坦凝聚体中多电荷涡旋衰变的动力学行为。
• 理解在多重量子化涡旋衰变过程中螺旋状凯尔文波的产生机制。
• 探索该衰变过程作为生成各向同性量子湍流的机制的潜力。
• 将生成的湍流统计特性与超流氦及经典湍流中的结果进行比较。
• 开发一种最小化凝聚体碎片化与大尺度密度涨落的量子湍流生成方法。

提出的方法

• 本研究采用拓扑相位压印技术，在棒状 87Rb 玻色-爱斯坦凝聚体中制备四重电荷涡旋。
• 在长径比磁阱中通过控制磁偏置场在 5 ms 内反转，实验观测涡旋的衰变过程。
• 数值模拟通过实时求解 Gross-Pitaevskii 方程，建模涡旋演化过程，包括有无扰动的情形。
• 通过小的芯位移（≈a_ho/5）和谐振子阱的各向异性压缩（ωx/ωy = 0.9）等扰动，触发并控制衰变的起始。
• 通过分析凝聚体速度分量的概率密度函数（PDFs）来识别幂律标度，分析速度统计特性。
• 将该方法扩展至两组反平行 n=2 涡旋，以生成湍流纠缠态，并评估其各向同性与湍流特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在捕获的原子BEC中，四重电荷涡旋的衰变过程如何进行，螺旋状凯尔文波在其中起什么作用？
• RQ2 何种扰动会触发扭曲涡旋解缠的起始，衰变时间对初始条件的敏感性如何？
• RQ3 多电荷涡旋的衰变能否生成具有各向同性速度统计特性的量子湍流态？
• RQ4 所生成湍流的速度PDF与超流氦及经典湍流中的结果相比有何异同？
• RQ5 与现有湍流生成技术相比，该方法在多大程度上避免了凝聚体碎片化或大尺度密度振荡？

主要发现

• n=4 涡旋的衰变产生四个相互扭曲的单重电荷涡旋，形成螺旋状构型，即凯尔文波。
• 数值模拟显示，小的涡旋芯位移（≈a_ho/5）可在约 12 ms 内触发扭曲解缠，而较大的位移（≈a_ho/2）可将时间缩短至 10 ms。
• 最有效触发衰变的方法是阱势的各向异性压缩（ωx/ωy = 0.9），可在仅 5 ms 内触发衰变。
• 实验保持时间 5 ms 与模拟的衰变起始时间一致，表明控制系统的微小不稳定性足以触发该过程。
• 由反平行 n=2 涡旋生成的湍流态从各向异性（vy/vx ≈ 1，vz/vx ≈ 0）演化为近乎各向同性（vy/vx ≈ 0.98，vz/vx ≈ 0.63）。
• 湍流态的速度PDF在高速区域表现出幂律标度，特征为量子湍流，与经典湍流中的高斯统计特性截然不同。