Critical Spin Superflow in a Spinor Bose-Einstein Condensate

극저온 원자기체 보즈-아인슈타인 응집체는 내부 스핀 자유도를 갖는 초유체(superfluid) 시스템으로서 새로운 스핀 동력학 및 위상체(topological objects)의 발현 가능성으로 많은 연구의 관심을 받아왔다. 양자기체연구실 연구진은 스핀-1 원자로 구성된 응집체를 대상으로 스핀 초유동(spin superflow) 임계 현상에 대한 실험연구를 수행하였다. 연구진은 스핀 초유동 속도가 특정 임계값을 넘어가면서 시스템의 수송 에너지가 급격히 소실되는 것을 관측하였고, 임계점 근방에서의 스핀 동력학 연구를 통해 이러한 임계 현상의 발생이 스핀 솔리톤 및 마그논의 동적 생성에 기인한다는 것을 확인하였다. 이 연구결과는 스핀-1 응집체의 스핀 초유체성을 처음으로 확증하고 이의 임계 동력학 발생기작을 규명하였다는 의미를 갖는다.

그림 설명: 스핀 초유체 내의 서로 다른 두 스핀 성분의 밀도 분포를 보여주는 이미지이다. 스핀 초유동 속도가 임계값 이상으로 증가하면서 스핀 솔리톤들이 생성되고 있다.

논문 초록:
We investigate the critical dynamics of spin superflow in an easy-plane antiferromagnetic spinor Bose-Einstein condensate. Spin-dipole oscillations are induced in a trapped condensate by applying a linear magnetic field gradient and we observe that the damping rate increases rapidly as the field gradient increases above a certain critical value. The onset of dissipation is found to be associated with the generation of dark-bright solitons due to the modulation instability of the counterflow of two spin components. Spin turbulence emerges as the solitons decay because of their snake instability. We identify another critical point for spin superflow, in which transverse magnon excitations are dynamically generated via spin-exchanging collisions, which leads to the transient formation of axial polar spin domains.

참여연구원: 김준현, 서상원, 신용일

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.185302