Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas
Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas
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旋转量子气体中玻色子量子霍尔态的结晶
DOI：
10.1038/s41586-021-04170-2
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
64.8
通讯作者：
Zwierlein, Martin
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Mukherjee, Biswaroop;Shaffer, Airlia;Patel, Parth B.;Yan, Zhenjie;Wilson, Cedric C.;Crépel, Valentin;Fletcher, Richard J.;Zwierlein, Martin
相互作用对动能的主导地位是强相关量子物质的核心，从分数量子霍尔液体到光学晶格中的原子和扭曲双层石墨烯。晶相经常与相关的量子液体竞争，当形成密度波的能量成本接近零时，它们之间就会发生转变。一个典型的例子发生在高强度磁场中的电子，其中量子霍尔液体对维格纳晶体的不稳定性，由磁长度处密度调制的类似转子软化预示着，，。值得注意的是，规范场中相互作用的玻色子也有望形成类似的液态和晶态， , , , , , , – 。然而，将相互作用与强合成磁场结合起来一直是玻色子量子气体实验的一个挑战。在这里，我们研究朗道规范玻色-爱因斯坦凝聚体在最低朗道能级及其附近的纯粹相互作用驱动的动力学。我们观察到由磁转子凝结驱动的自发结晶，激发可见为磁长度处的密度调制。增加云密度可以将这种行为与开尔文-亥姆霍兹流体动力学不稳定性的量子版本顺利地联系起来，该不稳定性由快速旋转的凝结水的剪切内部流动剖面驱动。在很长一段时间内，冷凝物会自组织成由涡街分隔的持久液滴阵列，这些液滴通过相互作用和有效磁力的平衡而稳定。
The dominance of interactions over kinetic energy lies at the heart of strongly correlated quantum matter, from fractional quantum Hall liquids, to atoms in optical lattices and twisted bilayer graphene. Crystalline phases often compete with correlated quantum liquids, and transitions between them occur when the energy cost of forming a density wave approaches zero. A prime example occurs for electrons in high-strength magnetic fields, where the instability of quantum Hall liquids towards a Wigner crystal, , , , –is heralded by a roton-like softening of density modulations at the magnetic length,, –. Remarkably, interacting bosons in a gauge field are also expected to form analogous liquid and crystalline states, , , , , , , –. However, combining interactions with strong synthetic magnetic fields has been a challenge for experiments on bosonic quantum gases,. Here we study the purely interaction-driven dynamics of a Landau gauge Bose–Einstein condensate in and near the lowest Landau level. We observe a spontaneous crystallization driven by condensation of magneto-rotons,, excitations visible as density modulations at the magnetic length. Increasing the cloud density smoothly connects this behaviour to a quantum version of the Kelvin–Helmholtz hydrodynamic instability, driven by the sheared internal flow profile of the rapidly rotating condensate. At long times the condensate self-organizes into a persistent array of droplets separated by vortex streets, which are stabilized by a balance of interactions and effective magnetic forces.
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