Experimental determination of the finite-temperature phase diagram of a spin–orbit coupled Bose gas

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作者
Si-Cong Ji,Jinyi Zhang,Long Zhang,Zhidong Du,Wei Zheng,Youjin Deng,Hui Zhai,Shuai Chen,Jian-Wei Pan
出处
期刊:Nature Physics [Springer Nature]
卷期号:10 (4): 314-320 被引量:158
标识
DOI:10.1038/nphys2905
摘要

Spin–orbit (SO) coupling leads to numerous phenomena in electron systems. Artificial SO coupling in ultracold neutral atoms provides the opportunity to study such phenomena in bosonic systems, which exhibit superfluidity and various symmetry-breaking condensate phases. In general, a richer structure of symmetry breaking results in a nontrivial finite-temperature phase diagram, but the thermodynamics of the SO-coupled Bose gas at finite temperature remains unknown both in theory and experiment. Here we experimentally determine a new finite-temperature phase transition that is consistent with the transition between the stripe ordered phase and the magnetized phase. We also observe that the magnetic phase and the Bose condensate transitions occur simultaneously as temperature decreases. We determine the entire finite-temperature phase diagram of the SO-coupled Bose gas, thus illustrating the power of quantum simulation. Spin–orbit coupling in Bose gases is expected to lead to new phenomena, but the thermodynamic properties are not yet fully understood. An ultracold atom experiment using artificial spin–orbit coupling uncovers the finite-temperature phase diagram and a transition between a stripe-ordered and a magnetized phase.

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