Spin superfluidity in antiferromagnetic spin-1 Bose-Einstein condensates

Abstract

초유체란 마찰이 없이 흐를 수 있는 특이한 유체의 물성을 의미한다. 초유체 현상은 계의 위상이 정렬될 때 발생하는 $U$(1) 게이지의 자발적 대칭성 깨짐에 의해 발생하며, 이는 에너지 틈과 질량이 없는 골드스톤 보존(Goldstone Boson)의 생성과 관련된다. 어떤 초유체 계를 이해하기 위해서는, 계의 임계속도 및 이에 대응되는 골드스톤 보존 모드에 대한 현상론적 이해가 선행되어야 한다. 초유체의 현상론적 기술 방식은 서로 다른 초유체 간의 보편성을 확립하기 위한 기준이 될 수 있다는 점에서 초유체 연구의 중요한 출발점이 된다. 이러한 관점은 여러 종류의 초유체 성분이 혼합되어 나타나는 새로운 초유체 현상들에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 특히, 이원 초유체에서는 두 성분 간의 상호작용에 의해 질량 채널뿐만 아니라 스핀 채널에 대응되는 초유체성이 발현될 수 있다. 스핀 초유체는 통상적인 초유체와 달리 에너지 틈이 없는 마그논(magnon)의 생성과 관련되며, 새로운 종류의 위상 들뜸 상태(topological excitation) 및 에너지 감쇄 동역학을 유발한다. 스핀 초유체에 대한 이해를 확장하는 첫 단계는 초유체에 대응되는 임계속도를 찾고, 임계속도 이상에서 발생하는 감쇄 반응의 특성을 확인하는 것이다. 본 학위 논문에서는 반강자성 스핀-1 보즈-아인슈타인 응집체에서 발현되는 스핀 초유체성 대한 연구 결과를 소개하고자 한다. 연구 결과는 크게 세 가지 주제로 구분될 수 있다. 첫째로, 응집체 내부에서의 스핀 쌍극자 진동의 감쇄 반응을 조사함으로써, 스핀 초유동(spin superflow)의 임계 동역학을 연구하였다. 스핀의 진동 속도가 느릴 때 초유동 영역이 존재하는 것을 확인하였으며, 특정 임계속도 이상에서 두 종류의 감쇄 반응이 나타날 수 있음을 관측하였다: 두 스핀 성분이 반대로 흐를 때 발생하는 변조 불안정성(modulational instability)에 의해 스핀 솔리톤(dark-bright soliton)이 생성되거나, 스핀-교환 충돌에 의해 에너지 틈이 있는 마그논(transverse magnon)이 생성된다. 본 실험에서는 자기장 그래디언트(gradient)를 가해준 상태에서 시료의 스핀 상태를 퀜치(quench)하는 방식으로 스핀 유동을 생성하였다. 자기장 그래디언트에 대한 시료의 반응을 더 명확히 이해하기 위해, 후속 연구로서 양자 상전이의 퀜치 동역학 변화 양상을 조사하였다. 둘째로, 반강자성 초유체에서 나타나는 두 종류의 비분산파 모드(sound mode), 즉 밀도파 및 스핀파의 전파를 관측하였다. 펄스파의 파형이 분산되지 않는 이유는 펄스파에 대응되는 들뜸 상태가 선형의 에너지 분산 관계를 갖기 때문이다. 따라서 관측된 밀도파와 스핀파는 각각 포논(phonon)과 마그논(magnon)의 에너지 틈이 없는 특성을 암시한다. 특히, 시간-스케일 분석을 통해 두 펄스파의 전파 속도 비율을 정밀하게 측정할 수 있는 방법을 고안하였으며, 이는 이원 초유체 계에서 발생하는 댜앙햔 미세 상호작용 효과들을 계측하기 위한 측량법이 될 수 있을 것이다. 마지막으로, 진동하는 스핀 장애물에 대해 스핀 초유체가 안정적으로 존재할 수 있음을 확인하였다. 스핀 초유체의 붕괴는 특정 임계진동수 이상에서 발생하였으며, 이때 스핀파 혹은 반양자수 소용돌이의 생성을 수반하였다. 특히, 반양자수 소용돌이는 국소적인 스핀 편극에 의해 밀도의 섭동이 함께 유도될 수 있는, 강한 스핀 장애물에 의해서만 생성되었는데, 이는 스핀과 질량이 결합된 반양자수 소용돌이의 고유한 특성이 반영된 결과이다. 이 경우, 장애물의 진동 속도가 증가함에 따라 스핀 초유체에서 마그논 들뜸 상태로, 그리고 소용돌이 방출 상태로 이어지는 단계적 전이가 관측되었다.

Superfluid phase is an exotic state of matter which has an ability to flow without friction. It arises from the phase ordering that spontaneously breaks the $U$(1) gauge symmetry of system, which allows a gapless and massless excitation called Goldstone boson. For a superfluid system, it is important to comprehend its critical velocity and the corresponding Goldstone mode in a phenomenological perspective. This simple description would be a useful starting point for the study on superfluidity, because it can reveal the universal characteristics of various superfluids. The novel types of superfluidity in multiple superfluid systems also can be understood in this spirit. Especially in the mixture of two superflowing components, the superfluidity can emerge for spin channel as well as mass channel due to the inter-component interactions. It is associated with the different Goldstone mode called gapless magnon, inducing novel topological excitations and dissipative dynamics. To improve its understandings, the first step that we should take is to detect a finite critical velocity and investigate its corresponding dissipation mechanism. This thesis contains our efforts to understand the spin superfluidity in an antiferromagnetic spin-1 Bose-Einstein condensate, whose two spin components are miscible and symmetric. Our works are divided into three main parts. First, we investigate the critical dynamics of spin superflow by examining the damping of its dipole oscillation. We find the superflowing regime at low velocity, and the two dissipative dynamics are observed above certain critical velocities: generation of dark-bright solitons, which is explained by the modulation instability of the counterflow of two spin components, and generation of transverse magnon excitations, which occurs via spin-mixing collisions and leads to the transient formation of axial polar spin domains. Note that in order to generate a spin flow, we utilize a quench protocol under a magnetic field gradient. To understand the field gradient effect on our sample, we further study the quench dynamics across quantum phase transition under the field gradient. Next, we observe the propagation of two distinct sound modes in the condensate, which are referred to as density sound and spin sound, respectively. The sound waves without distortion reflect the linear dispersion of the excitation modes, connoting the properties of phonon and magnon. In particular, we can precisely determine the ratio of their sound velocities from a timescale analysis, which can be a powerful method for probing the subtle interaction effects in binary superfluid systems. Finally, we confirm the existence of spin superfluidity against a moving magnetic obstacle that provides external spin perturbations. Its breakdown appears above certain critical velocites, accompanying the generation of spin waves or half-quantum vortices in the condensate. Particularly, it is observed that the nucleation of vortices is favorable only by strong obstacles that induce both spin and mass perturbations, which implies the spin-mass coupling in the vortices. In this case, we find the hierarchy from superfluid to magnon excitation to vortex shedding with the increase of the obstacle velocity.