Observation of Topologically Stable 2D Skyrmions in an Antiferromagnetic Spinor Bose-Einstein Condensate

스커미온 (skyrmions) 은 양성자, 중성자 등의 중입자를 설명하기 위해 제안된 위상적 솔리톤으로서 현재는 액체 헬륨-3, 양자 홀 시스템, 액정, 자성체 등 많은 응집 물질계에서 중요한 역할을 하는 것으로 인식되고 있다. 본 연구에서는 새로운 스핀 텍스처 각인 기술을 개발하여 위상적으로 안정한 2차원 스커미온을 반강자성 스핀 상호작용을 갖는 보즈-아인슈타인 응집체 내에 최초로 생성하였고, 이의 동역학적 안정성을 조사하였다. 생성된 스커미온이 주어진 특정 환경에서 그 구조를 변형시키며 자체적으로 붕괴하는 것이 관측되었는데, 그 붕괴 기작으로 반양자수 소용돌이를 수반한 국소 결함 (defect)의 생성을 제안하였다. 본 연구에서 개발된 실험기술은 보즈 응집체를 이용한 다양한 위상체 연구에 활용될 것으로 기대된다.

참여연구원: 최재윤, 권우진, 신용일

[논문초록]
We present the creation and time evolution of two-dimensional Skyrmion excitations in an antiferromagnetic spinor Bose-Einstein condensate. Using a spin rotation method, the Skyrmion spin textures were imprinted on a sodium condensate in a polar phase, where the two-dimensional Skyrmion is topologically protected. The Skyrmion was observed to be stable on a short time scale of a few tens of ms but to dynamically deform its shape and eventually decay to a uniform spin texture. The deformed spin textures reveal that the decay dynamics involves breaking the polar phase inside the condensate without having topological charge density ow through the boundary of the nite-sized sample. We discuss the possible formation of half-quantum vortices in the deformation process.