ボーズ・アインシュタイン凝縮中のソリトン

Magnetic solitons in a spin-1 Bose-Einstein condensate

X. Chai,1,∗D. Lao,1,∗ Kazuya Fujimoto,2, 3 Ryusuke Hamazaki,4 Masahito Ueda,4, 5, 6 and C. Raman1

Abstract.

ベクトルソリトンは、複数のコンポーネントで構成される非線形媒体で発生する孤立した、または拡散しない波束の一種です。そのため、非線形光学から極低温原子まで、さらには人間規模のメタマテリアルまで、さまざまな合成システムを構築して、それらの特性を調べることができます。光子やボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）などの量子システムでは、このようなベクトルの非線形性は、複雑な多体ダイナミクスへの窓を提供し、量子通信と情報処理の可能性を提供します。 BECには、内部の超微細レベルまたはスピンコンポーネントが豊富にあり、これらの孤立波を探索するための独自のプラットフォームになっています。ただし、既存の実験作業は、量子磁性が何の役割も果たさないソリトンの振る舞いを支配する非線形方程式のマナコフ限界に限定された連星系に主に焦点を合わせてきました。ここでは、「磁気シャドウイング」技術を使用して、スピノールBECの新しいタイプのソリトンを観察します。これは、基礎となる相互作用が反強磁性である場合にのみ存在し、完全なスピン1量子システムに深く埋め込まれています。私たちのアプローチは、複数のソリトンが決定論的な場所で相互作用する「ソリトン物質」の将来の研究、そして最終的にはソリトンの量子相関状態の実現への展望を開きます。これは長年の未実現の目標です。

I. INTRODUCTION

極低温原子は、独自の実験ツールを使用して非線形動作を探索するための新しい領域を開きました。この典型的な例は、ソリトンの非線形性の実りある研究です[1–9]。ソリトンは、浅瀬の水波の領域[10]から生物系[11]まで、さらには初期の宇宙宇宙論[12]まで、自然界に遍在しています。合成非線形システムでは、ベクトルソリトンが人間のスケールのメタマテリアルで観察され[13]、光通信の実用的なアプリケーションで光ファイバーの分散を制御する手段として提案されています[14、15]。光子やボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）などの量子システムでは、このようなベクトルの非線形性は、複雑な多体ダイナミクスへの窓を提供し、量子通信と情報処理の可能性を提供します[16]。内部の超微細スピン成分の多様性のためにボースガスで利用可能な複数のフレーバーは、ベクトルソリトンに関する多くの理論的および実験的研究を可能にしました[17–23]。しかし今まで、そのような作品は主にマナコフの限界を探求してきましたすべての種が本質的に等しく扱われ、それらの間の違いは重要ではない非線形方程式。この体制の外の物理学についてはほとんど知られていないようです。つまり、バイナリソリトンとF = 1スピノールを含む高スピンオブジェクトとの間の接続であり、種間の基礎となる磁気相互作用が重要な役割を果たします[24]。ごく最近の理論的研究は、マナコフ限界の外側の偏波を調査し[25]、均一な全密度の仮定の下で正確な解を見つけました-密度[26]。また、ソリトンと非平衡ボースガスの熱化との関係についても調査しました[27]。ここではスピン-スピン相互作用が重要な役割を果たします。しかし、そのような実験は1つしか報告されておらず[28]、これらの磁気相互作用を含む非線形フェノメナの包括的な説明はまだ出ていません。この研究は、準一次元ナトリウムスピノールであるボーズ・アインシュタイン凝縮で[26]によって予測された磁気ソリトンの最初の実験的証拠を提供することによって重要な一歩を踏み出しました。磁気相インプリンティング法を使用して、反強磁性スピノール相の2成分F = 1、mF =±1超微細混合物にソリトンを実験的に作成します[24]。私たちの知る限り、この方法は数値的にしか検討されていません[29]。以前の研究とは対照的に、私たちが作成したソリトンは、スピン間の反強磁性相互作用に大きく依存しています。私たちが自由に使える強力なツールは、局所的なその場でのスピン測定の利用可能性です-バイナリ混合物では通常不可能な方法でソリトンの位相プロファイルをプローブするために、完全な3成分超微細多様体にアクセスする測定

磁気シャドウ技術の重要な利点は、凝縮物密度プロファイルへの妨害を最小限に抑えてコヒーレント磁気構造を設計できることです。したがって、複数の磁気ソリトンを作成し、それらの相互作用を観察することが可能です。暗いソリトンは一般に邪魔されずに互いに通過すると予想されますが[35]、磁気ソリトンの振る舞いはあまり研究されていません。これらのソリトンの場合、磁化は位相ジャンプから独立しているため、相互作用の可能性が高くなります。たとえば、正の正のソリトンと負の正のソリトンなどです。後者は束縛状態を形成することが予測されており、その結果、ペアが消滅する可能性があります[27]。凝縮体の中心近くに4つのソリトンを近接して配置し、同じ磁化の符号のソリトンと反対の速度の間の相互作用を観察することによって、この機能を実験で示します。図4に、異なる時間に発生する2種類のソリトン衝突の実験結果と数値シミュレーションを示します。最初の実験では、2つのナイフエッジを使用して、幅110μmとエッジ8μmのフラットトップビームを作成しました。構成の鏡面対称性により、2つの正（負）に磁化されたソリトンが内向き（外向き）に伝播しました。次に、内向きに伝播するソリトンは、25ミリ秒の時間に互いに遭遇し、邪魔されずに通過しました。 2番目の実験では、しっかりと集束された位相インプリンティングビームと 20μmのガウスウエストは、ほぼ同じ場所から始まる2つのソリトンペアを作成したため、内側の2つの正のソリトンの衝突はほぼ即座に発生します。結果として得られる長時間の磁化は、それぞれが正と負の磁化ピークで構成される、2対の共伝搬する磁気ソリトンに似ていました。すべての場合において、1Dシミュレーションは非常に良好な一致を示しました-測定結果との一致

III. DISCUSSION

非常に細長いスピン1BECの磁気ソリトンは、磁気位相インプリントの方法によって作成され、1次元グロスピタエフスキー方程式に基づく数値シミュレーションとの良好な一致が観察されました。ソリトンを作成する乱流法とは異なり、「磁気シャドウイング」の手法では、コヒーレントなスピン構造を作成し、非常に高純度でダイナミカルに追跡することができます（たとえば、偽のフォノンの作成はありません）。これは、「ソリトン物質」を構成する多数（最大100）のソリトンの決定論的で高度に制御された作成を含む、これまで不可能だったソリトン物理学の多くの新しい研究を開きます。これは、複数のレーザービームまたは、たとえば光格子を使用して実現できます。反対側に磁化されたソリトン対衝突の生成により、スピン1ボース-アインシュタイン凝縮の普遍的な緩和ダイナミクスの研究が可能になります[27]。私たちの結果は、これまで実現されていなかった、回転ボソンの量子ホール効果に類似した、これまで実現されていなかった完全な量子領域のソリトンの展望を開きます。たとえば、2次元格子を追加すると、ソリトンと粒子の数が互いに比較可能になるレジームに到達でき、原子と対応する電荷の「ソリトン量子」との間に強い相関関係が生じます。統合された磁化に。これらの可能性- ソリトンの真の量子的性質を明らかにすることができるので、能力は非常にエキサイティングです