Exotic vortex structures in dilute Bose-Einstein condensates

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-10-19
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
66
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 118/2012
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.

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.
Description
Supervising professor
Nieminen, Risto, Prof.
Thesis advisor
Möttönen, Mikko, Doc.
Keywords
Bose-Einstein condensation, superfluidity, vortex, Bosen-Einsteinin kondensaatio, suprajuoksevuus, virtauspyörre, vorteksi
Other note
Parts
  • [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.
  • [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.
  • [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.
  • [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.
  • [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.
  • [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.
  • [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.
Citation