Two-dimensional Quantum Turbulence 50 0 in Bose-Einstein - PowerPoint PPT Presentation

� 100 Two-­‑dimensional ¡Quantum ¡Turbulence ¡ � 50 � 0 in ¡Bose-­‑Einstein ¡condensates � � 50 � 100 Brian ¡P. ¡Anderson � � 100 � 50 0 50 100 College ¡of ¡Op*cal ¡Sciences University ¡of ¡Arizona Experiments ¡(U. ¡Arizona) Funding T.W. ¡Neely ¡ (now ¡at ¡U. ¡Queensland) ¡ Z.L. ¡Newman ¡ ¡ E.C. ¡Samson ¡ (now ¡at ¡Ga. ¡Tech.) K.E. ¡Wilson BPA NZ ¡FoundaQon ¡for ¡ US ¡NaQonal ¡ US ¡Dept ¡of ¡ US ¡Army ¡ Research, ¡Science, ¡ Science ¡ Energy ¡GRF Research ¡Office and ¡Technology Theory ¡and ¡Computa>on FoundaQon A.S. ¡Bradley ¡(U. ¡Otago) R. ¡Carretero-­‑González ¡ (San ¡Diego ¡S. ¡U.) M.J. ¡Davis ¡ (U. ¡Queensland) P.G. ¡Kevrekidis ¡ (U. ¡Mass. ¡at ¡Amherst) K.J.H. ¡Law ¡ (U. ¡Warwick) S.J. ¡Rooney ¡(U. ¡Otago) E.M. ¡Wright ¡ (U. ¡Arizona) BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Vor>ces ¡in ¡BECs: ¡Experiments Over ¡10 ¡years ¡of ¡experiments ¡with ¡vorQces ¡in ¡BECs Resource Article: Experiments with Vortices in Superfluid Atomic Gases B. P. Anderson, JLTP 161, 574 (2010) Lots ¡of ¡work ¡on ¡ UnQl ¡now ¡there ¡has ¡been ¡relaQvely ¡liZle ¡study ¡of ¡ quantum ¡state ¡engineering, ¡ • far-­‑from-­‑equilibrium ¡phenomena rotaQng ¡BECs ¡and ¡vortex ¡ • turbulence laYces • highly ¡oblate ¡and ¡2D ¡systems • vortex ¡manipulaQon • vortex ¡dynamics • persistent ¡currents ¡ 50 µm ! All ¡topics ¡of ¡emphasis ¡in ¡current ¡ BEC ¡vortex ¡experiments BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

2D ¡Quantum ¡Turbulence Studies ¡of ¡2D ¡vortex ¡turbulence ¡in ¡superfluids ¡are ¡sparse ¡in ¡ comparison ¡to ¡3D ¡superfluid ¡turbulence: ¡lots ¡sQll ¡to ¡understand • ¡What ¡vortex ¡distribuQons ¡arise ¡in ¡2DQT ¡? • ¡What ¡spectral ¡signatures ¡exist ¡for ¡vortex ¡distribuQons ¡in ¡2DQT? ¡ • ¡Can ¡an ¡inverse ¡energy ¡cascade ¡be ¡observed? ¡ ¡A ¡double ¡cascade? ¡ ¡Is ¡ there ¡any ¡connecQon ¡to ¡an ¡enstrophy ¡cascade? • ¡Can ¡large-­‑scale ¡flow ¡develop ¡from ¡small-­‑scale ¡forcing? • ¡Can ¡vorQces ¡cluster ¡together, ¡or ¡will ¡annihilaQon ¡dominate? BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

2D ¡vortex ¡dynamics ¡in ¡compressible ¡superfluids Goals To ¡understand ¡the ¡range ¡of ¡vortex ¡dynamics ¡and ¡spectra ¡that ¡ can ¡occur ¡in ¡forced ¡2DQT. Learn ¡a ¡wide ¡range ¡of ¡experimental ¡tools ¡for ¡generaQng, ¡ ξ observing, ¡and ¡manipulaQng ¡vorQces ¡and ¡2DQT Progress ¡so ¡far • ¡Many ¡ways ¡to ¡generate ¡2DQT ¡ • ¡SQrring ¡with ¡laser ¡beam: ¡low ¡excitaQon ¡2DQT ¡ (expt/num) • ¡ simulaQons: ¡energy ¡spectra, ¡vortex ¡aggregaQon, ¡suppression ¡of ¡vortex ¡annihilaQon ¡ (num) • ¡development ¡of ¡large-­‑scale ¡flows ¡ (expt/num) • ¡ Demonstrated ¡new ¡ways ¡to ¡generate ¡and ¡manipulate ¡vorQces ¡(expt) BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Vor>ces ¡and ¡2DQT ¡in ¡Bose-­‑Einstein ¡condensates Why ¡ not ¡BECs ¡(?) Why ¡BECs ¡? Microscopic Adjustable ¡trapping ¡geometry: ¡2D ¡is ¡straighborward ... ¡but ¡much ¡bigger ¡than ¡vortex ¡size Vortex ¡visualizaQon ¡techniques Short ¡lifeQmes ¡/ ¡loss ¡of ¡atoms Vortex ¡manipulaQon ¡techniques ... ¡but ¡life*me ¡can ¡greatly ¡exceed ¡ Dilute ¡superfluid: ¡modeling, ¡theoreQcal ¡approaches vortex ¡dynamics ¡*mescales Compressible: ¡vortex ¡and/or ¡wave ¡turbulence Few ¡vorQces ¡ ... ¡but ¡plenty ¡to ¡show ¡complex, ¡ Tunable ¡interacQons turbulent, ¡chao*c ¡dynamics Single ¡or ¡mulQple ¡component ¡wavefuncQon HeaQng ... ... ¡can ¡be ¡minimized ¡with ¡op*mal ¡ forcing BECs ¡are ¡not ¡as ¡limiQng ¡as ¡they ¡ might ¡at ¡first ¡appear. BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

I. ¡Experimental ¡methods ¡for ¡2DQT preprint ¡(available ¡by ¡request, ¡soon ¡to ¡be ¡on ¡arXiv) Experimental ¡Methods ¡for ¡Genera>ng ¡Two-­‑Dimensional ¡Turbulence ¡in ¡Bose-­‑Einstein ¡Condensates K.E. ¡Wilson, ¡C.E. ¡Samson, ¡Z.L. ¡Newman, ¡T.W. ¡Neely, ¡B.P. ¡Anderson II. ¡2DQT ¡in ¡a ¡BEC: ¡s>rring ¡with ¡a ¡laser ¡beam arXiv: ¡1204.1102 Characteris>cs ¡of ¡Two-­‑Dimensional ¡Quantum ¡Turbulence ¡in ¡a ¡Compressible ¡Superfluid Neely, ¡Bradley, ¡Samson, ¡Rooney, ¡Wright, ¡Law, ¡Carretero, ¡Kevrekidis, ¡Davis, ¡Anderson ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Experiment ¡and ¡simula*ons III. ¡On-­‑demand ¡vortex ¡genera>on ¡and ¡manipula>on in ¡prepara>on On-­‑demand ¡vortex ¡genera>on ¡and ¡manipula>on C.E. ¡Samson, ¡K.E. ¡Wilson, ¡Z.L. ¡Newman, ¡B.P. ¡Anderson BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

I. ¡Experimental ¡methods ¡for ¡2DQT preprint ¡(available ¡by ¡request, ¡soon ¡to ¡be ¡on ¡arXiv) Experimental ¡Methods ¡for ¡Genera>ng ¡Two-­‑Dimensional ¡Turbulence ¡in ¡Bose-­‑Einstein ¡Condensates K.E. ¡Wilson, ¡C.E. ¡Samson, ¡Z.L. ¡Newman, ¡T.W. ¡Neely, ¡B.P. ¡Anderson II. ¡2DQT ¡in ¡a ¡BEC: ¡s>rring ¡with ¡a ¡laser ¡beam arXiv: ¡1204.1102 Characteris>cs ¡of ¡Two-­‑Dimensional ¡Quantum ¡Turbulence ¡in ¡a ¡Compressible ¡Superfluid Neely, ¡Bradley, ¡Samson, ¡Rooney, ¡Wright, ¡Law, ¡Carretero, ¡Kevrekidis, ¡Davis, ¡Anderson ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Experiment ¡and ¡simula*ons III. ¡On-­‑demand ¡vortex ¡genera>on ¡and ¡manipula>on in ¡prepara>on On-­‑demand ¡vortex ¡genera>on ¡and ¡manipula>on C.E. ¡Samson, ¡K.E. ¡Wilson, ¡Z.L. ¡Newman, ¡B.P. ¡Anderson BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Arizona ¡BEC ¡lab Vor$ces(in(a( 50 µm ! rota$ng(BEC( BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Our ¡system: ¡Highly ¡oblate ¡trap MagneQc ¡trap ¡(TOP) ¡+ ¡ laser ¡light ¡sheet Side ¡view ¡of ¡TOP ¡trap (2:1 ¡aspect ¡raQo, ¡ not ¡highly ¡oblate) top ¡view side ¡view Vortex ¡bending, ¡>l>ng ¡inhibited: ¡ ¡ 2D ¡vortex ¡dynamics ξ ¡~ ¡0.4 ¡μm R ¡~ ¡50 ¡μm Atom: ¡ 87 Rb ¡ ¡(F=1, ¡m F =-­‑1) N c ¡= ¡2 ¡x ¡10 6 R/ξ ¡~ ¡100 T c ¡~ ¡100 ¡nK Not ¡as ¡limited ¡as ¡it ¡appears ¡from ¡images ω r = ¡2π ¡x ¡8 ¡Hz ¡-­‑ ¡expansion, ¡dimensionality ω z = ¡2π ¡x ¡90 ¡Hz μ = ¡8 ¡  ω z ¡ ¡ ¡(not ¡Q2D, ¡no ¡BKT!) Expansion!!! life>mes ¡~ ¡50 ¡sec 50 µm ! BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Genera>ng ¡2D ¡quantum ¡turbulence Modulate ¡the ¡trapping ¡poten>al ¡(trap ¡frequency ¡modula>on) Decay ¡of ¡surface ¡waves? (a) ! Harmonic ¡trap 100 μ m ! t mod = 0.2 s ! t mod = 0.4 s ! t mod = 0.6 s ! t mod = 1 s ! t mod = 1.5 s ! (b) ! t h = 1 s ! t h = 2 s ! t h = 4 s ! t h = 8 s ! Toroidal ¡trap No ¡surface ¡excitaQon. ¡ ¡VorQces ¡nucleated ¡within ¡BEC (a) ! (c) ! (b) ! 100 μ m ! 50 μ m ! t mod = 0 s ! t mod = 10 ms ! t mod = 50 ms ! t mod = 250 ms ! BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Spin ¡the ¡highly ¡oblate ¡trap ¡(slightly ¡ellip>cal) BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Blas>ng ¡the ¡BEC ¡with ¡a ¡laser Blast ¡BEC ¡with ¡focused ¡laser ¡beam (b) 50 � m (a) t h = 10 ms t h = 25 ms t h = 50 ms t h = 125 ms 50 � m t h = 250 ms t h = 500 ms t h = 1 s t h = 2 s BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Excita>on ¡by ¡modula>on 3 ¡cycles ¡of ¡amplitude ¡modulaQon, ¡2 ¡x ¡ω r , ¡1/2 ¡μ Where ¡do ¡the ¡vor>ces ¡come ¡from? ¡ ¡ BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12

Local ¡excita>on Elongated ¡laser ¡beam One ¡period ¡modulaQon, ¡2 ¡x ¡ω r x ! y ! (a) Origin ¡of ¡vorQces? BPAnderson ¡ ¡RETUNE ¡2012, ¡Heidelberg Friday, June 29, 12