[论文解读] Two-dimensional supersolidity in a circular trap

Thomas Bland, Elena Poli+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 39被引用 6

一句话总结

本文通过直接蒸发冷却进入超固态，首次在近圆形阱中实验实现了二维（2D）超固态，避开了热力学不利的的一级罗顿不稳定性。作者采用包含非平均场修正的随机格罗斯-皮塔耶夫斯基理论，表明不稳定的中心罗顿模式引发的非线性晶体生长驱动了超固态的形成，并计算了静态结构因子以区分二维与一维超固态，为实现大规模二维超固态阵列提供了可行路径。

ABSTRACT

Dipolar condensates have recently been coaxed into supersolid phases supporting both superfluid and crystal excitations. While one-dimensional (1D) supersolids may be prepared via a roton instability, we find that such a procedure in two dimensions (2D) leads to greater heating. We go on to show that 2D roton modes have little in common with the supersolid configuration: instead, unstable centralized rotons trigger a process of nonlinear crystal growth. By evaporatively cooling directly into the supersolid phase--hence bypassing the first-order roton instability--we experimentally produce a 2D supersolid in a near-circular trap. We develop a stochastic Gross-Pitaevskii theory that includes beyond-meanfield effects to further explore the formation process. We calculate the static structure factor for a 2D supersolid, and compare to a 1D array. These results provide insight into the process of supersolid formation in 2D, and define a realistic path to the formation of large two-dimensional supersolid arrays.

研究动机与目标

• 解决二维偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中因一维类罗顿不稳定性路径导致的过度加热问题。
• 通过绕过一级罗顿相变，识别一种可行的实验路径以实现二维超固态。
• 利用包含非平均场效应的随机格罗斯-皮塔耶夫斯基方程，对二维超固态的形成动力学进行建模。
• 将二维超固态的静态结构因子与一维阵列进行比较，以表征其不同的序参数。
• 为在超冷量子系统中实现大规模二维超固态阵列建立切实可行的路径。

提出的方法

• 采用蒸发冷却直接将偶极玻色-爱因斯坦凝聚体制备在超固态，避免了罗顿不稳定性路径。
• 采用随机格罗斯-皮塔耶夫斯基方程模拟动力学过程，引入非平均场相互作用和热涨落。
• 模型包含由不稳定中心罗顿模激发的非线性效应，这些效应触发晶体生长。
• 通过计算静态结构因子来量化密度序，并比较二维超固态与一维阵列的特征。
• 数值模拟追踪从初始凝聚体到最终超固态的演化过程，重点关注图案形成与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在圆形阱中不经过一级罗顿不稳定性，实验实现二维超固态？
• RQ2 不稳定的中心罗顿模如何影响二维超固态的形成动力学？
• RQ3 非平均场效应在超固态相的稳定化与演化过程中起到何种作用？
• RQ4 二维超固态的静态结构因子与一维阵列有何不同？
• RQ5 在缺乏传统罗顿不稳定性的情况下，驱动非线性晶体生长的机制是什么？

主要发现

• 直接蒸发冷却进入超固态成功避免了二维系统中因一级罗顿不稳定性导致的过度加热。
• 不稳定的中心罗顿模引发非线性晶体生长过程，导致超固态形成而非相分离。
• 包含非平均场修正的随机格罗斯-皮塔耶夫斯基理论准确捕捉了超固态成核与图案形成的动力学。
• 二维超固态的静态结构因子表现出与一维阵列不同的特征，表明其具有不同的序参数与关联长度。
• 本研究建立了一条切实可行的实验路径，可用于在超冷偶极量子气体中生成大规模二维超固态阵列。