Critical Energy Dissipation in a Binary Superfluid Gas by a Moving Magnetic Obstacle

스핀 초유동성(spin superfluidity)은 에너지 손실없이 스핀이 거시적으로 흐르는 양자현상이다. 1980년대 후반 저온 액체 헬륨-3 실험에서 처음 발견되었고, 이후 위상학적 질서 매개변수를 갖는 초유체(superfluid)의 대표 성질로 꾸준히 연구되어 왔다. 최근 몇몇 자성체에서도 이러한 스핀 수송현상이 발현될 수 있음이 알려졌는데, 이 때문에 새로운 스핀 소자 개발의 기대감과 함께 스핀 초유동성에 대한 연구는 다양한 각도에서 재조명되고 있다. 양자기체연구실의 연구진은 스핀이 1인 원자를 극저온으로 냉각하여 스핀 초유동성을 갖는 기체 시료를 생성하고, 이의 임계 스핀 수송 현상을 연구하였다. 실험연구는 자기적 성질을 갖는 광학 장애물을 기체 시료 내부에서 일정시간 떨어준 후, 시료 내부에 발생한 마그논(magnon)과 반양자수 양자 소용돌이(half-quantum vortex)의 총량을 측정하고 이를 분석하는 방식으로 진행되었다. 연구진은 장애물의 세기와 떨기 진동수가 어느 임계 값 이상으로 증가할 때 먼저는 마그논 방출이 일어나고 이후 양자 소용돌이가 단계적으로 발생함을 관측하였다. 이러한 다단계 에너지 발산 반응은 기존의 초유체 시스템에서는 관측된 바가 없었는데, 이는 반양자수 양자 소용돌이가 스핀 순환(spin circulation) 뿐만 아니라 입자 순환(mass circulation)도 함께 갖고 있기 때문으로 이해된다. 이번 연구를 통해 연구진은 스핀-1 원자 기체의 스핀 초유동성을 확증하였고, 동시에 자기적 섭동에 대한 스핀 초유체 시스템의 고유한 임계 수송 현상을 제시하였다. 이러한 연구결과는 자성체의 스핀 초유동성 연구에서 스핀 결함이 스핀 수송 현상에 미치는 영향을 연구하는데 바탕 그림을 제시할 것으로 기대된다.

[Abstract]

We study the critical energy dissipation in an atomic superfluid gas with two symmetric spin components by an oscillating magnetic obstacle. Above a certain critical oscillation frequency, spin-wave excitations are generated by the magnetic obstacle, demonstrating the spin superfluid behavior of the system. When the obstacle is strong enough to cause density perturbations via local saturation of spin polarization, half-quantum vortices (HQVs) are created for higher oscillation frequencies, which reveals the characteristic evolution of critical dissipative dynamics from spin-wave emission to HQV shedding. Critical HQV shedding is further investigated using a pulsed linear motion of the obstacle, and we identify two critical velocities to create HQVs with different core magnetization.

참여 연구원: 김준현, 홍덕화, 이규환, 신용일

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.095302