[論文レビュー] BCS-BEC Crossover and the Unitary Fermi Gas

Mohit Randeria, Edward Taylor|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 152被引用数 75

ひとこと要約

このレビューは、フェシュバッハ共鳴を用いて達成された強い相関の単位的フェルミガス領域における超冷卻フェルミガスにおけるBCS-BEC遷移を検討する。$T_c/E_F \approx 0.15-0.2$ における単位的極限での超伝導、対形成および輸送の理解に関する理論的進展を提示し、高温超伝導、クォーカー・グルーオン・プラズマ、ゲージ-重力双対性と結びつける。

ABSTRACT

The crossover from weak coupling Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) pairing to a Bose-Einstein condensate (BEC) of tightly bound pairs, as a function of the attractive interaction in Fermi systems, has long been of interest to theoretical physicists. The past decade has seen a series of remarkable experimental developments in ultracold Fermi gases that has realized the BCS-BEC crossover in the laboratory, bringing with it fresh new insights into the very strongly interacting unitary regime in the middle of this crossover. In this review, we start with a pedagogical introduction to the crossover and then focus on recent progress in the strongly interacting regime. While our focus is on new theoretical developments, we also describe three key experiments that probe the thermodynamics, transport and spectroscopy of the unitary Fermi gas. We discuss connections between the unitary regime and other areas of physics -- quark-gluon plasmas, gauge-gravity duality and high temperature superconductivity -- and conclude with open questions about strongly interacting Fermi gases.

研究の動機と目的

• 超冷卻フェルミガスにおけるBCS-BEC遷移について教育的入門を提供すること。
• 強く相互作用する単位的フェルミガス領域における最近の理論的進展を要約すること。
• 単位的フェルミガスを高温超伝導やゲージ-重力双対性といった広範な物理学分野と結びつけること。
• 理論的予測を実証するための熱力学、輸送および分光法における主要な実験結果を強調すること。
• 強い相関フェルミ系における未解決の問題を特定し、ホログラフィック記述の可能性を示すこと。

提案手法

• 弱いから強い結合にわたる対形成を記述するための平均場理論とBCS-BEC遷移形式主義の使用。
• 単位的ガスにおける低いせん断粘性率対エントロピー比 $\eta/s \sim 0.2$ を分析するためのゲージ-重力双対性の応用。
• 対ギャップおよびスペクトル関数を調べるためのラジオ周波数分光法の使用。
• フェシュバッハ共鳴を用いた閉じ込められたフェルミガスモデルを用いて相互作用を調整し、単位的極限にアクセスすること。
• スケール不変性の挙動と量子揺らぎを研究するための二次元フェルミ系の分析。
• 有効場理論および平均場アプローチによるp波対形成およびトポロジカル超伝導の調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単位的フェルミガスの普遍的性質とは何か。強い相関からどのように生じるか。
• RQ2 ゲージ-重力双対性から導かれる下限と比較して、単位的フェルミガスにおけるせん断粘性率対エントロピー比 $\eta/s$ はどの程度か。
• RQ3 BCS-BEC遷移全域において、量子および熱揺らぎは二次元フェルミガスの観測量にどの程度影響を与えるか。
• RQ4 単位的フェルミガスは、高温超伝導体やクォーカー・グルーオン・プラズマの量子シミュレータとして機能できるか。
• RQ5 2次元フェルミガスにおけるスケール不変性を示すボリューム振動モードの観測が、非相対論的量子臨界性にどのような意味を持つのか。

主な発見

• 単位的フェルミガスは $T_c/E_F \approx 0.15-0.2$ の臨界温度を示し、フェルミ的超伝導体で観測された最高の比である。
• 対ギャップは $\Delta \approx 0.5E_F$ であると判明し、単位的領域における強い対形成相関を示している。
• せん断粘性率対エントロピー密度比 $\eta/s \sim 0.2$ は、ゲージ-重力双対性によって予測された下限に近づき、ほぼ理想流体の挙動を示唆している。
• 二次元フェルミガスでは、広い結合および温度範囲にわたり、単一モードのボリューム振動モードがトラップ周波数の2倍の周波数で振動し、スケール不変性のダイナミクスを示している。
• 2次元におけるRF吸収のしきい値は、dimerの結合エネルギー $E_b$ と一致しており、強い量子揺らぎがあるにもかかわらず、平均場理論の予測が驚くほどよく成立している。
• スピン不均衡が存在する場合、系はポラロンのランダウフェルミ液体を形成し、その熱力学的および輸送的性質が実験的に測定された。