Magnon Bose-Einstein condensates in superfluid 3He-B

Abstract

In this thesis we study Bose-Einstein condensates of trapped magnon quasiparticles in superfluid 3He-B. These condensates form in the trap provided by the order-parameter texture and applied magnetic field profile. We provide numerical description of two properties of the condensates, both observed in experiments: One of these properties is the ability to interact with the trapping potential, which draws an analogy to Q-balls of high energy physics. The other is an extra relaxation mechanism owing to interaction with vortices of broken symmetry.

We construct a three-dimensional model of magnon Q-balls. The spatial variation of the order parameter in equilibrium is solved in a quasi-three-dimensional model by minimizing the total free energy. Eigenstates of the resulting potential found by solution of the Schr odinger equation in three dimensions.

We discuss the formation and properties of Q-balls of magnons, which are "true" Q-balls in the sense that the trapping potential is forced to follow the movement of the magnon condensate. In high energy physics Q-balls are non-topological solitons that are stable owing to the charge conservation. In the case of magnon BECs the approximately conserved magnon number represents the Q-ball charge.

We calculate the NMR signal using a realistic model of the measurement circuit, and show that in the case of the magnon Q-ball the signal is not generally proportional to the transverse magnetization when the condensate moves in space.

The calibration of experimental signal amplitude is further used in the description of rocking oscillations of the broken-symmetry vortex cores and related dissipation of the magnon condensate. These oscillations are driven by the precessing magnetization of the magnon condensate.

Tässä työssä käsitellään magneettisten kvasihiukkasten (magnonien) muodostamaa Bose-Einstein -kondensaattia 3He-B -supranesteessä. Kondensaatti muodostuu järjestysparametrin ja magneettikentän profiilin yhteisvaikutuksena syntyvään sitovaan potentiaaliin. Kondensaateilla on kaksi kokeellisesti havaittua ominaisuutta, jotka on tarpeen kuvata numeerisesti: se vuorovaikuttaa sekä potentiaalin, että ytimiltään epäsymmetristen vorteksien kanssa.

Tässä työssä rakennetaan kolmiulotteinen numeerinen malli magnonien muodostamalle Bose-Einstein -kondensaatille. Tasapainotilan järjestysparametrin paikka-riippuvuus ratkaistaan z-akselia vasten kohtisuorassa tasossa minimoimalla systeemin vapaata energiaa. Magnonien ominaistilat ratkaistaan kolmessa ulottuvuudessa.

Q-palloiksi kutsuttuilla, magnonien muodostamilla tiloilla on mielenkiintoisia ominaisuuksia. Korkean energian fysiikassa Q-pallot ovat solitoneja, joiden koossa pysyminen perustuu varauksen säilymiseen. Magnon-kondensaatin tapauksessa nimi viittaa kondensaatin ja potentiaalin vuorovaikutukseen, jonka seurauksena potentiaali myötäilee kondensaatin liikkeitä.

Tässä työssä kuvataan mekanismi, jolla kokeellinen signaali kondensaatista muodostuu, ja osoitetaan, että signaalin tulkitseminen tavalliseen tapaan kohtisuoraan magnetisaatioon perustuen on kondensaatin liikkuessa virheellistä. Kondensaattilaskujen avulla rakennettua kalibraatiota käytetään lisäksi vorteksiytimien värähtelyistä aiheutuvien energiahäviöiden kuvaamiseen.