Creation and dynamics of topological structures in Bose–Einstein condensates

Julkaisun otsikon käännös: Topologisten rakenteiden luonti ja dynamiikka Bosen–Einsteinin kondensaateissa

Tuomas Ollikainen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Topologia tarjoaa syvällisiä käsitteellisiä yhteyksiä fysiikan eri haarojen välillä. Bosen–Einsteinin kondensaatit spin-vapausasteilla ovat yksiä monipuolisimmista systeemeistä topologisten rakenteiden tutkimukseen. Laaja kirjo kondensaatissa esiintyviä topologisia rakenteita, kuten kvanttipyörteet, monopolit, solmut ja skyrmionit, ovat analogisia sähkömagnetismissa, korkean energian fysiikassa ja kosmologiassa ennustettujen rakenteiden kanssa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan uudenlaisia topologisten rakenteiden luomismenetelmiä sekä näiden rakenteiden dynamiikkaa laskennallisin ja kokeellisin työkaluin. Työssä näytetään kokeellisesti, kuinka eristetty monopoli kehittyy Diracin monopoliksi kvadrupolimagneettikentän läsnäollessa. Diracin monopoli ilmenee kondensaatin synteettisessä magneettikentässä ja siihen on linkittynyt spontaanisti syntyneitä nodaalilinjoja. Kvanttisolmun havaitaan hajoavan polaariytimiseksi spinpyörteeksi vakiomagneettikentässä. Lisäksi työssä havaitaan kuinka ytimettömän pyörretilan hajoaminen aiheuttaa kahden singulaarisen SO(3)-pyörteen syntymisen. Monet tutkituista topologisten rakenteiden luomismenetelmistä nojautuvat ulkoisen magneettikentän adiabaattiseen hallintaan. Vasta-adiabaattinen menetelmä tarjoaa keinon nopeuttaa tätä muutoin hidasta magneettikentän hallintaa korjaavan magneettikentän avulla. Menetelmää sovelletaan kvanttipyörteiden nopeaan pumppaukseen, johtaen korkeimman pyörimismäärän kvanttipyörteeseen, joka kondensaattiin on onnistuttu luomaan käyttämällä kokeellisesti käyttökelpoisia menetelmiä. Lisäksi näytämme kuinka kondensaattiin voidaan luoda vasta-adiabaattisella menetelmällä kvanttisolmuja. Työn eräänä päätutkimuskohteena on erilaisten skyrmionien ominaisuuksien tutkimus. Kaksiulotteisten skyrmionien simulaatiot vastaavat kvantitatiivisesti toisaalla suoritettuja kokeita ja ne selittävät kokeellisesti havaitun skyrmionin epästabiilisuuden. Eksoottisia spin-2 skyrmioneja analysoidaan laskennallisesti syklisessä ja biaksiaalisessa nemaattisessa faasissa. Erityisesti työssä esitellään Shankarin skyrmionin ensimmäinen kokeellinen havainto spin-1 kondensaateissa ja analysoidaan sen synteettisiä sähkömagneettisia ominaisuuksia. Tämän väitöskirjan tutkimus kattaa mittavan määrän topologisia rakenteita, mutta kondensaatit tarjoavat edelleen monia muita rakenteita jatkotutkimuksille. Monopoleihin, solmuihin ja skyrmioneihin liittyvien eksitaatioiden tarkka laskennallinen karakterisointi on myös kiinnostava jatkotutkimuksen kohde. Tämän väitöskirjan tulokset luovat vankan perustan topologisten rakenteiden dynamiikan kokeelliselle tutkimukselle spinorikondensaateissa.
Julkaisun otsikon käännösTopologisten rakenteiden luonti ja dynamiikka Bosen–Einsteinin kondensaateissa
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Ohjaaja
  • Möttönen, Mikko, Vastuuprofessori
  • Hall, David S., Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8752-8
Sähköinen ISBN978-952-60-8753-5
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • Bosen–Einsteinin kondensaatti
  • topologinen rakenne

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Topologisten rakenteiden luonti ja dynamiikka Bosen–Einsteinin kondensaateissa'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä