[論文レビュー] A molecular Bose-Einstein condensate emerges from a Fermi sea

Markus Greiner, C. A. Regal+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2003

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、40K原子の量子degenerateなフェルミガスにおいて、磁場を断熱的に変化させることでFeshbach共鳴点を通過させることにより、分子Bose-Einstein凝縮（BEC）の初回実験的実現を示した。T/T_F < 0.17の状態にあるdegenerateなフェルミ海から出発し、Feshbach共鳴を介してフェルミ粒子が弱い結合分子に変換されることで、能動的冷却を伴わず直接的に分子BECが形成され、超低温フェルミ系におけるBCS-BEC遷移領域の確認がなされた。

ABSTRACT

The realization of fermionic superfluidity in a dilute gas of atoms, analogous to superconductivity in metals, is a long-standing goal of ultracold gas research. Beyond being a new example of this fascinating quantum phenomenon, fermionic superfluidity in an atomic gas holds the promise of adjustable interactions and the ability to tune continuously from BCS-type superfluidity to Bose-Einstein condensation (BEC). This crossover between BCS superfluidity of correlated atom pairs in momentum space and BEC of local pairs has long been of theoretical interest, motivated in part by the discovery of high Tc superconductors. In atomic Fermi gas experiments superfluidity has not yet been demonstrated; however recent experiments have made remarkable progress toward this goal. Starting from an ultracold Fermi gas experimenters have used Feshbach resonances to reversibly create molecules, i.e. composite bosons consisting of local fermion pairs. Furthermore, the experiments have shown that the resulting diatomic molecules can have surprisingly long lifetimes. Here we report the conversion of a Fermi sea of atoms into a molecular BEC. In addition to being the first molecular condensate in thermal equilibrium, this BEC represents one extreme of the predicted BCS-BEC continuum.

研究の動機と目的

• 超低温原子の量子degenerateなフェルミガスから分子Bose-Einstein凝縮（BEC）を実験的に実現すること。
• Feshbach共鳴を用いて相互作用を調整することで、BCS型の超流動性から分子BECへの連続的遷移を示すこと。
• 能動的冷却を一切用いずに、Feshbach共鳴を断熱的に通過させることによるBEC形成を観測すること。
• BEC極限における強い相互作用を示すフェルミ粒子対の熱力学的および多体的挙動を調べること。
• 特にT/T_F ≈ 0.17の臨界初期温度において、分子BECがどのようにしてフェルミ海から出現するかの条件を確立すること。

提案手法

• 40K原子のガスを単一ビーム光学ダイポールトラップで蒸発冷却し、量子degenerate状態に達させ、T/T_Fを0.04まで低下させた。
• B₀ = 202.1 GのFeshbach共鳴点を用い、磁場スイープにより原子間相互作用を引力的から斥力的へと調整した。
• B = 202.78 GからB = 201.54–201.67 Gへと7–10 msの遅い断熱的磁場スイープを実行し、原子を弱い結合分子に変換した。
• 時間飛行吸収像法を用いて得られた分子クラウドを測定し、運動量分布および凝縮分率を抽出した。
• 時間飛行像を二成分分布関数でフィッティングし、熱成分の温度および凝縮分率を決定した。
• 理想気体の仮定に基づき、エントロピー保存および原子と分子間の熱化状態を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Feshbach共鳴を断熱的に通過させることにより、能動的冷却を一切用いずにフェルミ海から直接分子BECを形成できるか？
• RQ2 この系において分子BEC形成に必要な臨界初期温度T/T_Fは何か？
• RQ3 Feshbach共鳴スイープ中、系のエントロピーはどのように変化するか？また、断熱性と整合的か？
• RQ4 スイープ後、分子と残存する原子はどの程度熱的に平衡状態にあるか？
• RQ5 得られた分子BECのピーク密度は何か？また、強い相互作用系における理論予測と比較するとどうなるか？

主な発見

• 初期フェルミガス温度がT/T_F = 0.17未満の場合に分子BECが観測され、最終状態で12%の凝縮分率が測定された。
• BECは磁場スイープ中に自然に形成され、分子系の能動的冷却は一切行われなかった。これは、BCS-BEC遷移領域を断熱的に通過したことを示し、量子状態の保存が保たれていることを示している。
• 散乱長がゼロに近づくと、拡張エネルギーがほぼゼロに外挿算されることで、強い相互作用を有するBECの存在が確認された。
• 分子凝縮のピーク密度はn_pk = 7 × 10^12 cm⁻³と決定され、強い相互作用と整合的であった。
• スイープ後、エントロピーは約40%増加したが、これは断熱性およびエントロピー保存と整合的であった。
• 磁場スイープを逆方向に実行したところ、系は27 ± 7 nK加熱された。これは、プロセスがほぼ可逆的であり、系が一貫した量子状態を維持していることを示している。