[양자기체 연구실] 비평형 초유체 상전이에서 보편적 초기 조대화 현상 관측 (Phys. Rev. Lett. 논문 게재)
Universal Early Coarsening of Quenched Bose Gases
이차 상전이를 일으키는 시스템 내에는 위상 결점이 자발적으로 생성될 수 있다. 키블-주렉 (Kibble-Zurek) 기작에 따라 결점 밀도가 상전이 속도와 멱법칙 관계를 갖게 된다는 것이 예측되었지만, 상전이 동력학의 복잡성으로 인해 결점 밀도에 대한 정량적인 이해는 아직 명확하게 얻어지지 못하였다. 최근 극저온 원자기체를 이용한 비평형 상전이 동력학의 정량적 연구가 활발히 이루어지고 있다. 양자기체연구실의 연구진은 2단계 냉각법을 고안하여 초유체 상전이 직후 발생하는 초기 조대화(coarsening)가 결점 밀도에 미치는 영향을 연구하였다. 연구진은 임계 온도를 지나가는 1차 냉각의 속도와 그 이후 이어지는 2차 냉각의 속도를 각각 독립적으로 조절하며 초유체 내 발생하는 위상 결점의 개수를 측정하였다. 먼저는 결점의 개수가 두 냉각 속도에 모두 의존하는 것을 관측함으로써 결점 밀도가 시스템이 임계점을 지나가는 속도 뿐만 아니라 그 이후 초기 조대화 과정에 의해서도 결정된다는 사실을 확인하였다. 더 나아가 연구진은 초기 조대화 과정을 통한 밀도 감소 효과가 1차 냉각속도와 무관하며, 놀랍게도 2차냉각 속도에 의해 멱법칙 관계로 결정됨을 확인하였다. 이번 연구를 통해 연구진은 초유체 상전이 동력학에서의 초기 조대화의 실존과 특성을 규명하였고, 또한 초기 조대화 현상을 통해 다체계 비평형 동력학의 축척 가설 (scaling hypothesis)을 탐색하는 새로운 연구 방향을 제시하였다. 연구 결과는 Physical Review Letter 지에 게재되었다.
참여 연구원: 구준홍, 이양헌, 임영훈, 배달민, Tenzin Rabga, 신용일
We investigate the early coarsening dynamics of an atomic Bose gas quenched into a superfluid phase. Using a two-step quench protocol, we independently control the two cooling rates during and after passing through the critical region, respectively, and measure the number of quantum vortices spontaneously created in the system. The latter cooling rate regulates the temperature during the condensate growth, consequently controlling the early coarsening dynamics in the defect formation. We find that the defect number shows a scaling behavior with the latter cooling rate regardless of the initial cooling rate, indicating universal coarsening dynamics in the early stage of condensate growth. Our results demonstrate that early coarsening not only reduces the defect density, but also affects its scaling with the quench rate, which is beyond the Kibble-Zurek mechanism.
URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.135701