Quantum gases are well isolated from the environment and can be controlled and measured with high precision, providing an ideal platform for exploring a variety of quantum many-body phenomena. In addition, in contrast to solid systems, the time scale to equilibrium is experimentally observable, making it possible to study nonequilibrium dynamics as well as equilibrium states. We aimed to study the spin dynamics in a two-dimensional spinor Bose-Einstein condensate with a strong ferromagnetic interaction using ${}^7Li$ atoms. This thesis introduces the laser system, vacuum system, and experimental sequences to produce a Bose-Einstein condensate of ${}^7Li$ atoms.
The ${}^7Li$ Bose-Einstein condensate has been prepared without the aid of the magnetic Feshbach resonance, which can tune the strength of atomic interaction, and the nonequilibrium spin dynamics were investigated. By exploring the quantum phase transition from the polar phase to the easy-plane-ferromagnetic phase and the spinor dynamics under various magnetic fields, and studying the two-dimensional breathing mode induced by flipping the spin state, we have confirmed that ${}^7Li$ spinor Bose-Einstein condensates display a strong ferromagnetic interaction.
Utilizing a strongly ferromagnetic spinor Bose-Einstein condensate, we observe the universal coarsening dynamics by quenching the quadratic Zeeman shift from the polar phase to the easy-axis or isotropic ferromagnetic phase. In the scaling regime, we observe the universal dynamics where the spin correlation and structure factor at different times collapse into a single universal scaling function. Based on the symmetry of the ground state order parameter and topological defects, the two universal dynamics can be categorized into well-defined universality classes.
A single magnetic domain is prepared in the easy-axis ferromagnetic phase and a spin current is imprinted along the domain wall. For the spin current above the critical value, flutter-finger patterns and skyrmions are observed as a result of quantum Kelvin-Helmholtz instability. We can identify the transverse spin winding with spin-resolved imaging and phase winding via matter wave interference. This allows us to observe the spin texture of skyrmion with integer charge as well as fractional charge.
양자 기체는 외부환경에 대해서 잘 고립되어있고, 높은 정밀도의 제어와 측정이 가능하여 다양한 양자 다체계 현상을 탐구하기 위한 이상적인 플랫폼을 제공한다. 또한, 고체 시스템과는 달리, 평형 상태로 도달하는 시간이 실험적으로 관측이 가능하기 때문에, 평형 상태 뿐만 아니라 비평형 역학 또한 연구가 가능하다. 우리는 리튬-7 (${}^7Li$) 원자 기체를 이용하여 강한 강자성의 상호 작용을 하는 이차원 스피너 응집체에서의 스핀 동역학들을 연구하는 것을 목표로 하여, 원자기체를 극저온으로 냉각시켜 보즈-아인슈타인 응집체를 만들었다. 본 학위 논문에서는 리튬-7 원자의 극저온 양자기체를 만들기 위해 구축한 레이저 시스템과 진공 시스템, 실험적 절차들에 대해 다룬다.
리튬-7 보즈 아인슈타인 응축을 원자간의 상호작용을 자유롭게 조절해주는 자성 Feshbach 공진의 도움 없이 준비할 수 있고, 비평형의 스핀 동역학을 연구하였다. Polar 상으로부터 Easy-plane ferromagnetic 상으로의 양자 상 전이와 다양한 자기장에서의 스피너 역학을 탐구하고, 스핀 상태를 뒤집어서 유도한 이차원 숨쉬기 모드를 연구함으로써 리튬–7 스피너 보즈아인슈타인 응집체가 강한 강자성의 상호작용을 내보이고 있다는 것을 확인하였다.
우리는 이 강한 강자성의 상호작용을 하는 스피너 응집체를 이용하여 polar 상으로 easy-axis 혹은 isotropic ferromagnetic 상으로부터의 퀜치(quench)를 통하여 조대화 역학에서의 보편성 (universal coarsening dnymaics) 을 관측하였다. 눈금 바꿈 영역에서, 다양한 시간들에서 스핀 상관관계 함수와 구조인사가 시공간의 눈금 바꿈 (spatio-temporal scaling) 으로 하나의 보편 축척 함수로 합쳐지는 보편적인 역학을 관측하였다. 두 비평형역학들을 바닥상태 질서 변수의 대칭성과 위상학적 결함을 기반으로 잘 정의된 보편성 부류로 분류할 수 있었다.
단일 자기 구역을 easy-axis ferromagnetic 상에서 준비하고 스핀류를 구역벽을 따라서 스핀류를 가했다. 임계 값 이상의 스핀류에서는 양자 켈빈 헬름홀츠 불안정성의 결과로 flutter-finger 무늬와 스커미온 (skyrmion)이 관측되었다. 우리는 수직 축의 스핀 감음수와 물질파 간섭을 통한 질량 감음수를 확인하였다. 이를 통해 정수의 전하뿐만 아니라 분수 전하의 스커미온 스핀 분포를 관측하였다.
