Skip to main content

2013 | OriginalPaper | Buchkapitel

Existence, Stability and Nonlinear Dynamics of Vortices and Vortex Clusters in Anisotropic Bose-Einstein Condensates

verfasst von : J. Stockhofe, P. G. Kevrekidis, P. Schmelcher

Erschienen in: Spontaneous Symmetry Breaking, Self-Trapping, and Josephson Oscillations

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

This chapter is devoted to the study of vortex excitations in one-component Bose-Einstein condensates, with a special emphasis on the impact of anisotropic confinement on the existence, stability and dynamical properties of vortices and particularly few-vortex clusters. Symmetry breaking features are pervasive within this system even in its isotropic installment, where cascades of symmetry breaking bifurcations give rise to the multi-vortex clusters, but also within the anisotropic realm which naturally breaks the rotational symmetry of the multi-vortex states. Our first main tool for analyzing the system consists of a weakly nonlinear (bifurcation) approach which starts from the linear states of the problem and examines their continuation and bifurcation into novel symmetry-broken configurations in the nonlinear case. This is first done in the isotropic limit and the modifications introduced by the anisotropy are subsequently presented. The second main tool concerns the highly nonlinear regime where the vortices can be considered as individual topologically charged "particles" which precess within the parabolic trap and interact with each other, similarly to fluid vortices. The conclusions stemming from both the bifurcation and the interacting particle picture are corroborated by numerical computations which are also used to bridge the gap between these two opposite-end regimes.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Fußnoten
1
The connection provided through the numerical results is often essential as some configurations may e.g. be stable in the above two limits but possess instabilities in finite intermediate ranges of parameter values that would not be observable by restricting our view to the analytically tractable limits. A notable example of this type is offered by the vortex quadrupole configuration (see e.g. Fig.  8 of [16] and equivalently the isotropic limit of both Fig. 10d and e below). Such a state is found to be linearly stable in both of the above quasi-analytical limits and its intermediate range of instability parameter values is only detected by the bridging numerical continuation.
 
Literatur
1.
Zurück zum Zitat R.J. Donnelly, Quantized Vortices in Helium II (Cambridge University Press, Cambridge, 2005) R.J. Donnelly, Quantized Vortices in Helium II (Cambridge University Press, Cambridge, 2005)
2.
Zurück zum Zitat G. Blatter, M.V. Feigel’man, V.B. Geshkenbein, A.I. Larkin, V.M. Vinokur, Rev. Mod. Phys. 66, 1125 (1994)ADSCrossRef G. Blatter, M.V. Feigel’man, V.B. Geshkenbein, A.I. Larkin, V.M. Vinokur, Rev. Mod. Phys. 66, 1125 (1994)ADSCrossRef
4.
5.
Zurück zum Zitat L. Pitaevskii, S. Stringari, Bose-Einstein Condensation (Clarendon Press, Oxford, 2003)MATH L. Pitaevskii, S. Stringari, Bose-Einstein Condensation (Clarendon Press, Oxford, 2003)MATH
6.
Zurück zum Zitat C.J. Pethick, H. Smith, Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases (Cambridge University Press, Cambridge, 2008)CrossRef C.J. Pethick, H. Smith, Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases (Cambridge University Press, Cambridge, 2008)CrossRef
7.
Zurück zum Zitat P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, Emergent Nonlinear Phenomena in Bose-Einstein Condensates (Springer, Berlin, 2008)CrossRefMATH P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, Emergent Nonlinear Phenomena in Bose-Einstein Condensates (Springer, Berlin, 2008)CrossRefMATH
8.
Zurück zum Zitat L.M. Pismen, Vortices in Nonlinear Fields (Clarendon Press, Oxford, 1999)MATH L.M. Pismen, Vortices in Nonlinear Fields (Clarendon Press, Oxford, 1999)MATH
9.
Zurück zum Zitat L.C. Crasovan, G. Molina-Terriza, J.P. Torres, L. Torner, V.M. Pérez-García, D. Mihalache, Phys. Rev. E 66, 036612 (2002)ADSCrossRef L.C. Crasovan, G. Molina-Terriza, J.P. Torres, L. Torner, V.M. Pérez-García, D. Mihalache, Phys. Rev. E 66, 036612 (2002)ADSCrossRef
10.
Zurück zum Zitat L.C. Crasovan, V. Vekslerchik, V.M. Pérez-García, J.P. Torres, D. Mihalache, L. Torner, Phys. Rev. A 68, 063609 (2003)ADSCrossRef L.C. Crasovan, V. Vekslerchik, V.M. Pérez-García, J.P. Torres, D. Mihalache, L. Torner, Phys. Rev. A 68, 063609 (2003)ADSCrossRef
12.
Zurück zum Zitat M. Möttönen, S.M.M. Virtanen, T. Isoshima, M.M. Salomaa, Phys. Rev. A 71, 033626 (2005)ADSCrossRef M. Möttönen, S.M.M. Virtanen, T. Isoshima, M.M. Salomaa, Phys. Rev. A 71, 033626 (2005)ADSCrossRef
13.
Zurück zum Zitat V. Pietilä, M. Möttönen, T. Isoshima, J.A.M. Huhtamäki, S.M.M. Virtanen, Phys. Rev. A 74, 023603 (2006)ADSCrossRef V. Pietilä, M. Möttönen, T. Isoshima, J.A.M. Huhtamäki, S.M.M. Virtanen, Phys. Rev. A 74, 023603 (2006)ADSCrossRef
14.
Zurück zum Zitat P. Kuopanportti, J.A.M. Huhtamäki, M. Möttönen, Phys. Rev. A 83, 011603 (2011)ADSCrossRef P. Kuopanportti, J.A.M. Huhtamäki, M. Möttönen, Phys. Rev. A 83, 011603 (2011)ADSCrossRef
16.
Zurück zum Zitat S. Middelkamp, P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, Phys. Rev. A 82, 013646 (2010)ADSCrossRef S. Middelkamp, P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, Phys. Rev. A 82, 013646 (2010)ADSCrossRef
17.
Zurück zum Zitat P. Torres, P. Kevrekidis, D. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, D. Hall, Phys. Lett. A 375, 3044 (2011)ADSCrossRef P. Torres, P. Kevrekidis, D. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, D. Hall, Phys. Lett. A 375, 3044 (2011)ADSCrossRef
18.
Zurück zum Zitat T.W. Neely, E.C. Samson, A.S. Bradley, M.J. Davis, B.P. Anderson, Phys. Rev. Lett. 104, 160401 (2010)ADSCrossRef T.W. Neely, E.C. Samson, A.S. Bradley, M.J. Davis, B.P. Anderson, Phys. Rev. Lett. 104, 160401 (2010)ADSCrossRef
19.
Zurück zum Zitat D.V. Freilich, D.M. Bianchi, A.M. Kaufman, T.K. Langin, D.S. Hall, Science 329, 1182 (2010)ADSCrossRef D.V. Freilich, D.M. Bianchi, A.M. Kaufman, T.K. Langin, D.S. Hall, Science 329, 1182 (2010)ADSCrossRef
20.
Zurück zum Zitat S. Middelkamp, P.J. Torres, P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, D.V. Freilich, D.S. Hall, Phys. Rev. A 84, 011605 (2011)ADSCrossRef S. Middelkamp, P.J. Torres, P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, D.V. Freilich, D.S. Hall, Phys. Rev. A 84, 011605 (2011)ADSCrossRef
21.
Zurück zum Zitat S. Middelkamp, P. Kevrekidis, D. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, Physica D 240, 1449 (2011)ADSCrossRef S. Middelkamp, P. Kevrekidis, D. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, Physica D 240, 1449 (2011)ADSCrossRef
22.
Zurück zum Zitat J.A. Seman, E.A.L. Henn, M. Haque, R.F. Shiozaki, E.R.F. Ramos, M. Caracanhas, P. Castilho, C. Castelo Branco, P.E.S. Tavares, F.J. Poveda-Cuevas, G. Roati, K.M.F. Magalhães, V.S. Bagnato, Phys. Rev. A 82, 033616 (2010)ADSCrossRef J.A. Seman, E.A.L. Henn, M. Haque, R.F. Shiozaki, E.R.F. Ramos, M. Caracanhas, P. Castilho, C. Castelo Branco, P.E.S. Tavares, F.J. Poveda-Cuevas, G. Roati, K.M.F. Magalhães, V.S. Bagnato, Phys. Rev. A 82, 033616 (2010)ADSCrossRef
23.
25.
Zurück zum Zitat A.S. Desyatnikov, A.A. Sukhorukov, Y.S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 95, 203904 (2005)ADSCrossRef A.S. Desyatnikov, A.A. Sukhorukov, Y.S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 95, 203904 (2005)ADSCrossRef
27.
Zurück zum Zitat V.M. Lashkin, A.S. Desyatnikov, E.A. Ostrovskaya, Y.S. Kivshar, Phys. Rev. A 85, 013620 (2012)ADSCrossRef V.M. Lashkin, A.S. Desyatnikov, E.A. Ostrovskaya, Y.S. Kivshar, Phys. Rev. A 85, 013620 (2012)ADSCrossRef
28.
Zurück zum Zitat J. Stockhofe, S. Middelkamp, P.G. Kevrekidis, P. Schmelcher, Europhys. Lett. 93, 20008 (2011)ADSCrossRef J. Stockhofe, S. Middelkamp, P.G. Kevrekidis, P. Schmelcher, Europhys. Lett. 93, 20008 (2011)ADSCrossRef
31.
34.
Zurück zum Zitat R.S. MacKay, J. Meiss, Hamiltonian Dynamical Systems (Hilger, Bristol, 1987)MATH R.S. MacKay, J. Meiss, Hamiltonian Dynamical Systems (Hilger, Bristol, 1987)MATH
35.
Zurück zum Zitat A.L. Fetter, A.A. Svidzinsky, J. Phys.: Cond. Matt. 13, R135 (2001)ADS A.L. Fetter, A.A. Svidzinsky, J. Phys.: Cond. Matt. 13, R135 (2001)ADS
37.
Zurück zum Zitat S. Middelkamp, P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, J. Phys. B 43, 155303 (2010)ADSCrossRef S. Middelkamp, P.G. Kevrekidis, D.J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. Schmelcher, J. Phys. B 43, 155303 (2010)ADSCrossRef
38.
Zurück zum Zitat P.G. Kevrekidis, R. Carretero-González, D.J. Frantzeskakis, I.G. Kevrekidis, Mod. Phys. B 18, 1481 (2004)ADSCrossRefMATH P.G. Kevrekidis, R. Carretero-González, D.J. Frantzeskakis, I.G. Kevrekidis, Mod. Phys. B 18, 1481 (2004)ADSCrossRefMATH
41.
42.
Zurück zum Zitat C.T. Kelley, Solving Nonlinear Equations with Newton’s Method (Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2003)CrossRefMATH C.T. Kelley, Solving Nonlinear Equations with Newton’s Method (Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2003)CrossRefMATH
43.
Zurück zum Zitat D.L. Feder, A.A. Svidzinsky, A.L. Fetter, C.W. Clark, Phys. Rev. Lett. 86, 564 (2001)ADSCrossRef D.L. Feder, A.A. Svidzinsky, A.L. Fetter, C.W. Clark, Phys. Rev. Lett. 86, 564 (2001)ADSCrossRef
44.
47.
Zurück zum Zitat D. Mihalache, D. Mazilu, B.A. Malomed, F. Lederer, Phys. Rev. A 73, 043615 (2006)ADSCrossRef D. Mihalache, D. Mazilu, B.A. Malomed, F. Lederer, Phys. Rev. A 73, 043615 (2006)ADSCrossRef
49.
50.
Zurück zum Zitat Y. Shin, M. Saba, M. Vengalattore, T.A. Pasquini, C. Sanner, A.E. Leanhardt, M. Prentiss, D.E. Pritchard, W. Ketterle, Phys. Rev. Lett. 93, 160406 (2004)ADSCrossRef Y. Shin, M. Saba, M. Vengalattore, T.A. Pasquini, C. Sanner, A.E. Leanhardt, M. Prentiss, D.E. Pritchard, W. Ketterle, Phys. Rev. Lett. 93, 160406 (2004)ADSCrossRef
51.
Zurück zum Zitat G. Theocharis, D.J. Frantzeskakis, P.G. Kevrekidis, B.A. Malomed, Y.S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 90, 120403 (2003)ADSCrossRef G. Theocharis, D.J. Frantzeskakis, P.G. Kevrekidis, B.A. Malomed, Y.S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 90, 120403 (2003)ADSCrossRef
52.
53.
Zurück zum Zitat B.P. Anderson, P.C. Haljan, C.A. Regal, D.L. Feder, L.A. Collins, C.W. Clark, E.A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 86, 2926 (2001)ADSCrossRef B.P. Anderson, P.C. Haljan, C.A. Regal, D.L. Feder, L.A. Collins, C.W. Clark, E.A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 86, 2926 (2001)ADSCrossRef
54.
Metadaten
Titel
Existence, Stability and Nonlinear Dynamics of Vortices and Vortex Clusters in Anisotropic Bose-Einstein Condensates
verfasst von
J. Stockhofe
P. G. Kevrekidis
P. Schmelcher
Copyright-Jahr
2013
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/10091_2012_10

Premium Partner