The control over the geometry and topology of quantum systems is crucial for advancing novel quantum technologies. This work provides a synthesis of recent insights into the behavior of quantum vortices within atomic Bose–Einstein condensates (BECs) subject to curved geometric constraints. We highlight the significant impact of the curvature on the condensate density and phase distribution, particularly in quasi-one-dimensional waveguides for different angular momentum states. An engineered periodic transport of the quantized vorticity between density-coupled ring-shaped condensates is discussed. The significant role of curved geometry in shaping the dynamics of rotational Josephson vortices in long atomic Josephson junctions is illustrated for the system of vertically stacked toroidal condensates. Different methods for the controlled creation of rotational Josephson vortices in coupled ring systems are described in the context of the formation of long-lived vortex configurations in shell-shaped BECs with cylindrical geometry. Future directions of explorations of vortices in curved geometries with implications for quantum information processing and sensing technologies are discussed.
REFERENCES
1.
A.
Tononi
and
L.
Salasnich
, Nat. Rev. Phys.
5
, 398
(2023
).2.
H.
Kuratsuji
, Phys. Rev. E
85
, 031150
(2012
).3.
T.
Sakajo
and
Y.
Shimizu
, Proc. R. Soc. London, Ser. A
472
, 20160271
(2016
).4.
V. P.
Ruban
, Sov. J. Exp. Theor. Phys. Lett.
105
, 458
(2017
).5.
L. R.
Gómez
,
N. A.
García
,
D. A.
Vega
, and
J.
Lorenzana
, Phys. Rev. E
97
, 012117
(2018
).6.
A.
Bogatskiy
, J. Phys. A
52
, 475501
(2019
).7.
A.
Tononi
and
L.
Salasnich
, Phys. Rev. Lett.
123
, 160403
(2019
).8.
A. R.
Moura
, J. Magn. Magn. Mater.
513
, 167254
(2020
).9.
C.-H.
Li
,
Y.
Yan
,
S.-W.
Feng
,
S.
Choudhury
,
D. B.
Blasing
,
Q.
Zhou
, and
Y. P.
Chen
, PRX Quantum
3
, 010316
(2022
).10.
A.
Tononi
, Phys. Rev. A
105
, 023324
(2022
).11.
J.
D'Ambroise
,
R.
Carretero-González
,
P.
Schmelcher
, and
P. G.
Kevrekidis
, Phys. Rev. A
105
, 063325
(2022
).12.
A.
Tononi
,
A.
Pelster
, and
L.
Salasnich
, Phys. Rev. Res.
4
, 013122
(2022
).13.
Y.
He
and
C.-C.
Chien
, Phys. Rev. A
108
, 053303
(2023
).14.
L. E.
Young-S.
and
S. K.
Adhikari
, Phys. Rev. A
108
, 053323
(2023
).15.
E. J. P.
Biral
,
N. S.
Móller
,
A.
Pelster
, and
F. E. A.
dos Santos
, New J. Phys.
26
, 013035
(2024
).16.
A. C.
White
, Phys. Rev. A
109
, 013301
(2024
).17.
Y.
Xiong
and
X.
Yu
, Phys. Rev. Res.
6
, 013133
(2024
).18.
F.
Chevy
, Emergent Nonlinear Phenomena in Bose-Einstein Condensates: Theory and Experiment
(
Springer
,
Berlin/Heidelberg
, 2008
).19.
I.
Chavel
, Riemannian Geometry: A Modern Introduction
(
Cambridge University Press
, 1993
).20.
N.-E.
Guenther
,
P.
Massignan
, and
A. L.
Fetter
, Phys. Rev. A
96
, 063608
(2017
).21.
P.
Massignan
and
A. L.
Fetter
, Phys. Rev. A
99
, 063602
(2019
).22.
N.-E.
Guenther
,
P.
Massignan
, and
A. L.
Fetter
, Phys. Rev. A
101
, 053606
(2020
).23.
M. A.
Caracanhas
,
P.
Massignan
, and
A. L.
Fetter
, Phys. Rev. A
105
, 023307
(2022
).24.
S. J.
Bereta
,
M. A.
Caracanhas
, and
A. L.
Fetter
, Phys. Rev. A
103
, 053306
(2021
).25.
B.
Rhyno
,
N.
Lundblad
,
D. C.
Aveline
,
C.
Lannert
, and
S.
Vishveshwara
, Phys. Rev. A
104
, 063310
(2021
).26.
K.
Padavić
,
K.
Sun
,
C.
Lannert
, and
S.
Vishveshwara
, Phys. Rev. A
102
, 043305
(2020
).27.
N.
Lundblad
,
R. A.
Carollo
,
C.
Lannert
,
M. J.
Gold
,
X.
Jiang
,
D.
Paseltiner
,
N.
Sergay
, and
D. C.
Aveline
, npj Microgravity
5
, 30
(2019
).28.
R. A.
Carollo
,
D. C.
Aveline
,
B.
Rhyno
,
S.
Vishveshwara
,
C.
Lannert
,
J. D.
Murphree
,
E. R.
Elliott
,
J. R.
Williams
,
R. J.
Thompson
et al, Nature
606
, 281
(2022
).29.
F.
Jia
,
Z.
Huang
,
L.
Qiu
,
R.
Zhou
,
Y.
Yan
, and
D.
Wang
, Phys. Rev. Lett.
129
, 243402
(2022
).30.
A.
Richaud
,
V.
Penna
,
R.
Mayol
, and
M.
Guilleumas
, Phys. Rev. A
101
, 013630
(2020
).31.
Y.
Guo
,
E.
Mercado Gutierrez
,
D.
Rey
,
T.
Badr
,
A.
Perrin
,
L.
Longchambon
,
V. S.
Bagnato
,
H.
Perrin
, and
R.
Dubessy
, New J. Phys.
24
, 093040
(2022
).32.
D.
Rey
,
S.
Thomas
,
R.
Sharma
,
T.
Badr
,
L.
Longchambon
,
R.
Dubessy
, and
H.
Perrin
, J. Appl. Phys.
132
, 214401
(2022
).33.
O.
Morizot
,
Y.
Colombe
,
V.
Lorent
,
H.
Perrin
, and
B. M.
Garraway
, Phys. Rev. A
74
, 023617
(2006
).34.
W. H.
Heathcote
,
E.
Nugent
,
B. T.
Sheard
, and
C. J.
Foot
, New J. Phys.
10
, 043012
(2008
).35.
M.
de Goër de Herve
,
Y.
Guo
,
C.
De Rossi
,
A.
Kumar
,
T.
Badr
,
R.
Dubessy
,
L.
Longchambon
, and
H.
Perrin
, J. Phys. B
54
, 125302
(2021
).36.
L.
Amico
,
M.
Boshier
,
G.
Birkl
,
A.
Minguzzi
,
C.
Miniatura
,
L. C.
Kwek
,
D.
Aghamalyan
,
V.
Ahufinger
,
D.
Anderson
et al, AVS Quantum Sci.
3
, 039201
(2021
).37.
K.
Henderson
,
C.
Ryu
,
C.
MacCormick
, and
M. G.
Boshier
, New J. Phys.
11
, 043030
(2009
).38.
C.
Ryu
and
M. G.
Boshier
, New J. Phys.
17
, 092002
(2015
).39.
P.
Naldesi
,
J.
Polo
,
V.
Dunjko
,
H.
Perrin
,
M.
Olshanii
,
L.
Amico
, and
A.
Minguzzi
, SciPost Phys.
12
, 138
(2022
).40.
C. W.
Woffinden
,
A. J.
Groszek
,
G.
Gauthier
,
B. J.
Mommers
,
M. W. J.
Bromley
,
S. A.
Haine
,
H.
Rubinsztein-Dunlop
,
M. J.
Davis
,
T. W.
Neely
et al, SciPost Phys.
15
, 128
(2023
).41.
A. M.
Turner
,
V.
Vitelli
, and
D. R.
Nelson
, Rev. Mod. Phys.
82
, 1301
(2010
).42.
D. R.
Nelson
, Defects and Geometry in Condensed Matter Physics
(
Cambridge University Press
, 2002
).43.
R.
Streubel
,
P.
Fischer
,
F.
Kronast
,
V. P.
Kravchuk
,
D. D.
Sheka
,
Y.
Gaididei
,
O. G.
Schmidt
, and
D.
Makarov
, J. Phys. D
49
, 363001
(2016
).44.
Z.
Peng
,
X.
Chen
,
Y.
Fan
,
D. J.
Srolovitz
, and
D.
Lei
, Light: Sci. Appl.
9
, 190
(2020
).45.
P.
Gentile
,
M.
Cuoco
,
O. M.
Volkov
,
Z. J.
Ying
,
I. J.
Vera-Marun
,
D.
Makarov
, and
C.
Ortix
, Nat. Electron.
5
, 551
(2022
).46.
T.
Grass
,
D.
Bercioux
,
U.
Bhattacharya
,
M.
Lewenstein
,
H. S.
Nguyen
, and
C.
Weitenberg
, arXiv:2407.06105 (2024
).47.
J.
Tempere
,
V. N.
Gladilin
,
I. F.
Silvera
,
J. T.
Devreese
, and
V. V.
Moshchalkov
, Phys. Rev. B
79
, 134516
(2009
).48.
P.
Newton
and
M.
Platzer
, Appl. Mech. Rev.
55
, B15
(2002
).49.
A.
Tononi
and
L.
Salasnich
, Phys. Rep.
1072
, 1
(2024
).50.
E.
Switkes
,
E. L.
Russell
, and
J. L.
Skinner
, J. Chem. Phys.
67
, 3061
(1977
).51.
F.
Impens
,
R.
Duboscq
, and
D.
Guéry-Odelin
, Phys. Rev. Lett.
124
, 250403
(2020
).52.
A.
del Campo
,
M. G.
Boshier
, and
A.
Saxena
, Sci. Rep.
4
, 5274
(2014
).53.
Y.
Nikolaieva
,
L.
Salasnich
, and
A.
Yakimenko
, New J. Phys.
25
, 103003
(2023
).54.
L.
Salasnich
, SciPost Phys. Core
5
, 015
(2022
).55.
A. I.
Yakimenko
,
Y. M.
Bidasyuk
,
M.
Weyrauch
,
Y. I.
Kuriatnikov
, and
S. I.
Vilchinskii
, Phys. Rev. A
91
, 033607
(2015
).56.
C.
Ryu
,
M. F.
Andersen
,
P.
Cladé
,
V.
Natarajan
,
K.
Helmerson
, and
W. D.
Phillips
, Phys. Rev. Lett.
99
, 260401
(2007
).57.
C.
Ryu
,
P. W.
Blackburn
,
A. A.
Blinova
, and
M. G.
Boshier
, Phys. Rev. Lett.
111
, 205301
(2013
).58.
C.
Ryu
,
E. C.
Samson
, and
M. G.
Boshier
, Nat. Commun.
11
, 3338
(2020
).59.
S.
Moulder
,
S.
Beattie
,
R. P.
Smith
,
N.
Tammuz
, and
Z.
Hadzibabic
, Phys. Rev. A
86
, 013629
(2012
).60.
F.
Piazza
,
L. A.
Collins
, and
A.
Smerzi
, Phys. Rev. A
80
, 021601
(2009
).61.
F.
Piazza
,
L. A.
Collins
, and
A.
Smerzi
, Phys. Rev. A
81
, 033613
(2010
).62.
A.
Ramanathan
,
K. C.
Wright
,
S. R.
Muniz
,
M.
Zelan
,
W. T.
Hill
,
C. J.
Lobb
,
K.
Helmerson
,
W. D.
Phillips
, and
G. K.
Campbell
, Phys. Rev. Lett.
106
, 130401
(2011
).63.
J.
Brand
and
W. P.
Reinhardt
, J. Phys. B
34
, L113
(2001
).64.
M.
Modugno
,
C.
Tozzo
, and
F.
Dalfovo
, Phys. Rev. A
74
, 061601
(2006
).65.
S.
Beattie
,
S.
Moulder
,
R. J.
Fletcher
, and
Z.
Hadzibabic
, Phys. Rev. Lett.
110
, 025301
(2013
).66.
A. I.
Yakimenko
,
K. O.
Isaieva
,
S. I.
Vilchinskii
, and
M.
Weyrauch
, Phys. Rev. A
88
, 051602
(2013
).67.
K. C.
Wright
,
R. B.
Blakestad
,
C. J.
Lobb
,
W. D.
Phillips
, and
G. K.
Campbell
, Phys. Rev. Lett.
110
, 025302
(2013
).68.
K. C.
Wright
,
R. B.
Blakestad
,
C. J.
Lobb
,
W. D.
Phillips
, and
G. K.
Campbell
, Phys. Rev. A
88
, 063633
(2013
).69.
S.
Eckel
,
J. G.
Lee
,
F.
Jendrzejewski
,
N.
Murray
,
C. W.
Clark
,
C. J.
Lobb
,
W. D.
Phillips
,
M.
Edwards
, and
G. K.
Campbell
, Nature
506
, 200
(2014
).70.
A. I.
Yakimenko
,
K. O.
Isaieva
,
S. I.
Vilchinskii
, and
E. A.
Ostrovskaya
, Phys. Rev. A
91
, 023607
(2015
).71.
K.
Snizhko
,
K.
Isaieva
,
Y.
Kuriatnikov
,
Y.
Bidasyuk
,
S.
Vilchinskii
, and
A.
Yakimenko
, Phys. Rev. A
94
, 063642
(2016
).72.
A. I.
Yakimenko
,
S. I.
Vilchinskii
,
Y. M.
Bidasyuk
,
Y. I.
Kuriatnikov
,
K. O.
Isaieva
, and
M.
Weyrauch
, Rom. Rep. Phys.
67
, 249
(2015
).73.
T.
Bland
,
I. V.
Yatsuta
,
M.
Edwards
,
Y. O.
Nikolaieva
,
A. O.
Oliinyk
,
A. I.
Yakimenko
, and
N. P.
Proukakis
, Phys. Rev. Res.
4
, 043171
(2022
).74.
A.
Pérez-Obiol
,
J.
Polo
, and
L.
Amico
, Phys. Rev. Res.
4
, L022038
(2022
).75.
T.
Bland
,
Q.
Marolleau
,
P.
Comaron
,
B. A.
Malomed
, and
N. P.
Proukakis
, J. Phys. B
53
, 115301
(2020
).76.
A.
Oliinyk
,
I.
Yatsuta
,
B.
Malomed
, and
A.
Yakimenko
, Symmetry
11
, 1312
(2019
).77.
A.
Oliinyk
,
B.
Malomed
, and
A.
Yakimenko
, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul.
83
, 105113
(2020
).78.
A.
Oliinyk
,
A.
Yakimenko
, and
B.
Malomed
, J. Phys. B
52
, 225301
(2019
).79.
N.
Bazhan
,
A.
Svetlichnyi
,
D.
Pfeiffer
,
D.
Derr
,
G.
Birkl
, and
A.
Yakimenko
, Phys. Rev. A
106
, 043305
(2022
).80.
T. W.
Neely
,
A. S.
Bradley
,
E. C.
Samson
,
S. J.
Rooney
,
E. M.
Wright
,
K. J. H.
Law
,
R.
Carretero-González
,
P. G.
Kevrekidis
,
M. J.
Davis
et al, Phys. Rev. Lett.
111
, 235301
(2013
).81.
S.
Das Sarma
,
M.
Freedman
, and
C.
Nayak
, Phys. Rev. Lett.
94
, 166802
(2005
).82.
J.
Radić
,
T. A.
Sedrakyan
,
I. B.
Spielman
, and
V.
Galitski
, Phys. Rev. A
84
, 063604
(2011
).83.
H.-B.
Luo
,
L.
Li
,
B. A.
Malomed
,
Y.
Li
, and
B.
Liu
, Phys. Rev. A
109
, 013326
(2024
).84.
Q.-D.
Jiang
and
A.
Balatsky
, Phys. Rev. Lett.
129
, 016801
(2022
).85.
Y.-H.
Wu
,
H.-H.
Tu
, and
G. J.
Sreejith
, Phys. Rev. A
96
, 033622
(2017
).86.
E. G. M.
Ferreira
, Astron. Astrophys. Rev.
29
, 7
(2021
).87.
Y. O.
Nikolaieva
,
Y. M.
Bidasyuk
,
K.
Korshynska
,
E. V.
Gorbar
,
J.
Jia
, and
A. I.
Yakimenko
, Phys. Rev. D
108
, 023503
(2023
).88.
Y. O.
Nikolaieva
,
A. O.
Olashyn
,
Y. I.
Kuriatnikov
,
S. I.
Vilchynskii
, and
A. I.
Yakimenko
, Low Temp. Phys.
47
, 684
(2021
).89.
K.
Korshynska
,
Y. M.
Bidasyuk
,
E. V.
Gorbar
,
J.
Jia
, and
A. I.
Yakimenko
, Eur. Phys. J. C
83
, 451
(2023
).90.
P.
Švančara
,
P.
Smaniotto
,
L.
Solidoro
,
J. F.
MacDonald
,
S.
Patrick
,
R.
Gregory
,
C. F.
Barenghi
, and
S.
Weinfurtner
, Nature
628
, 66
(2024
).91.
S.
Eckel
,
A.
Kumar
,
T.
Jacobson
,
I. B.
Spielman
, and
G. K.
Campbell
, Phys. Rev. X
8
, 021021
(2018
).2024 Published under an exclusive license by the AVS.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
