Learning Centre

Exotic vortex structures in dilute Bose-Einstein condensates

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Möttönen, Mikko, Doc.
dc.contributor.author Kuopanportti, Pekko
dc.date.accessioned 2012-10-09T10:22:50Z
dc.date.available 2012-10-09T10:22:50Z
dc.date.issued 2012
dc.identifier.isbn 978-952-60-4785-0 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4784-3 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/5965
dc.description.abstract In 1995, atomic physics took a quantum leap with the experimental discovery of almost ideal Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms. The gaseous condensates offer a rare chance to study an interacting many-particle system accurately from first-principles theories, and they can be used to simulate many seminal models that have proven elusive in their original context of, e.g., solid-state or high-energy physics. An important topic in the research has been the quantized vortex, which was experimentally realized in 1999 and whose existence is intimately related to the concepts of quantum phase coherence and superfluidity. In this dissertation, unconventional vortex structures are investigated in the dilute condensates at ultralow temperatures. A combination of analytical and numerical methods is used to examine the structure, stability, and dynamical behavior of multiquantum vortices and vortex-antivortex pairs in spin-polarized condensates, unusual vortex lattices in two-species condensates, and spin textures in condensates with dipolar interactions. In studying the properties of the multiquantum vortices, particular emphasis is placed on exploring the practical limits of producing them through adiabatic pumping of vorticity. The majority of the research is conducted by solving the mean-field Gross-Pitaevskii and Bogoliubov equations. Various original, experimentally verifiable results concerning the exotic vortex structures are presented. Novel splitting patterns of vortices with large quantum numbers are introduced, and it is shown that such vortices can be feasibly stabilized by piercing them with a focused laser beam. A recent experiment on vortex-antivortex pairs is simulated, and an excellent quantitative agreement with the experimental data is obtained. Unconventional ground-state vortex lattices, such as ones having a square geometry or consisting of two-quantum vortices, are shown to exist in rotating two-species condensates. Dipolar interactions are found to support helical spin-vortex states, and the energies of spin-wave excitations are observed to increase rapidly with the dipolar coupling strength. This dissertation contributes to the understanding of superfluid phenomena in Bose-Einstein condensates and has significant implications for the prospects of detecting novel vortex structures in current experiments. en
dc.description.abstract Vuonna 1995 atomifysiikassa otettiin merkittävä edistysaskel, kun lähes ideaalinen Bosen-Einsteinin kondensaatio saavutettiin harvoissa alkaliatomikaasuissa. Atomikondensaatit mahdollistavat vuorovaikuttavan monihiukkassysteemin mallintamisen perusteorioihin nojaten. Kondensaattien avulla voidaan myös simuloida monia uraauurtavia malleja, joiden tutkiminen on osoittautunut hankalaksi niiden alkuperäisessä yhteydessä kuten kiinteän olomuodon tai korkean energian fysiikassa. Eräänä tärkeänä tutkimuskohteena on ollut kvantittunut virtauspyörre, vorteksi, joka tuotettiin kokeellisesti vuonna 1999. Vorteksit liittyvät läheisesti kvanttimekaanisen vaihekoherenssin ja suprajuoksevuuden käsitteisiin. Väitöskirjassa tarkastellaan eksoottisia vorteksirakenteita harvoissa kondensaateissa nollalämpötilan rajalla. Analyyttisia ja laskennallisia menetelmiä käyttäen tutkitaan monikvantittuneiden vorteksien ja vorteksi-antivorteksiparien rakennetta, stabiilisuutta ja dynamiikkaa spinittömissä kondensaateissa, epätavallisia vorteksihiloja kahden kondensaatin systeemeissä sekä spin-tekstuureita kondensaateissa, joissa vaikuttavat dipoli-dipolivoimat. Monikvanttivorteksien tapauksessa halutaan erityisesti selvittää, kuinka suuria vorteksien kvanttilukuja voidaan saavuttaa niin sanotun vorteksipumpun avulla. Suurin osa tutkimuksesta perustuu Grossin-Pitaevskiin ja Bogoliubovin yhtälöiden ratkaisemiseen. Työssä saavutetaan uusia, kokeellisesti varmistettavissa olevia tuloksia eksoottisiin vorteksirakenteisiin liittyen. Vortekseille, joiden kvanttiluku on suuri, löydetään uudenlaisia jakautumismekanismeja. Lisäksi osoitetaan, että tällaisista vortekseista saadaan dynaamisesti stabiileja lävistämällä niiden keskus fokusoidulla lasersäteellä. Vorteksi-antivorteksipareista suoritetaan simulaatioita, jotka tuottavat erinomaisen kvantitatiivisen vastaavuuden tuoreiden koehavaintojen kanssa. Kahden pyörivän kondensaatin systeemille löydetään epätavanomaisia perustiloja kuten neliömäisiä tai kaksikvanttivortekseista koostuvia vorteksihiloja. Dipoli-dipolivuorovaikutusten huomataan suosivan korkkiruuvimaisia spin-vorteksitiloja, ja spin-aaltojen eksitaatioenergioiden havaitaan kasvavan nopeasti dipoli-dipolivuorovaikutuksen voimakkuuden funktiona. Väitöskirjassa esitetyt tulokset edistävät vorteksi-ilmiöiden tuntemusta Bosen-Einsteinin kondensaateissa. Tuloksilla on merkitystä myös, kun uusia vorteksirakenteita etsitään tämänhetkisissä kokeissa. fi
dc.format.extent 66
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 118/2012
dc.relation.haspart [Publication 1]: P. Kuopanportti, E. Lundh, J. A. M. Huhtamäki, V. Pietilä, and M. Möttönen, Core sizes and dynamical instabilities of giant vortices in dilute Bose-Einstein condensates, Physical Review A 81, 023603 (8 pages), February 2010. © 2010 American Physical Society (APS). By permission.
dc.relation.haspart [Publication 2]: P. Kuopanportti and M. Möttönen, Splitting dynamics of giant vortices in dilute Bose-Einstein condensates, Physical Review A 81, 033627 (8 pages), March 2010. © 2010 American Physical Society (APS). By permission.
dc.relation.haspart [Publication 3]: P. Kuopanportti and M. Möttönen, Stabilization and pumping of giant vortices in dilute Bose-Einstein condensates, Journal of Low Temperature Physics 161, 561-573 (13 pages), December 2010. © 2010 by authors and © 2010 Springer Science+Business Media. By permission.
dc.relation.haspart [Publication 4]: P. Kuopanportti, J. A. M. Huhtamäki, and M. Möttönen, Size and dynamics of vortex dipoles in dilute Bose-Einstein condensates, Physical Review A 83, 011603(R) (4 pages), January 2011. © 2011 American Physical Society (APS). By permission.
dc.relation.haspart [Publication 5]: P. Kuopanportti, J. A. M. Huhtamäki, and M. Möttönen, Exotic vortex lattices in two-species Bose-Einstein condensates, Physical Review A 85, 043613 (7 pages), April 2012. © 2012 American Physical Society (APS). By permission.
dc.relation.haspart [Publication 6]: J. A. M. Huhtamäki and P. Kuopanportti, Helical spin textures in dipolar Bose-Einstein condensates, Physical Review A 82, 053616 (7 pages), November 2010. © 2010 American Physical Society (APS). By permission.
dc.relation.haspart [Publication 7]: J. A. M. Huhtamäki and P. Kuopanportti, Elementary excitations in dipolar spin-1 Bose-Einstein condensates, Physical Review A 84, 043638 (6 pages), October 2011. © 2011 American Physical Society (APS). By permission.
dc.subject.other Physics en
dc.title Exotic vortex structures in dilute Bose-Einstein condensates en
dc.title Eksoottiset vorteksirakenteet kaasumaisissa Bosen-Einsteinin kondensaateissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword Bose-Einstein condensation en
dc.subject.keyword superfluidity en
dc.subject.keyword vortex en
dc.subject.keyword Bosen-Einsteinin kondensaatio fi
dc.subject.keyword suprajuoksevuus fi
dc.subject.keyword virtauspyörre fi
dc.subject.keyword vorteksi fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-4785-0
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Nieminen, Risto, Prof.
dc.opn Anderson, Brian P., Prof., University of Arizona, USA
dc.rev Nakahara, Mikio, Prof., Kinki University, Japan
dc.rev Simula, Tapio, Dr., Monash University, Australia
dc.date.defence 2012-10-19
local.aalto.digifolder Aalto_65501
local.aalto.digiauth ask


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse