[論文レビュー] Fermionic matter-wave quantum optics with cold-atom impurity models

Bennet Windt, Miguel Bello+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 112被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、低温原子系におけるスピンなしフェルミ粒子の格子模型と局所的不純度準位の結合を用いて、フェルミ粒子系の物質波量子光学を提案する。1次元および2次元において普遍的なスクリーニングクラウドのスケーリング、フェルミ準位近くの分数量的崩壊、および連続状態内の束縛状態のような非マルコフ的多体効果を明らかにし、超冷却フェルミガス系における実験的アプローチを提示する。

ABSTRACT

Motivated by recent cold-atom realisations of matter-wave waveguide QED, we study simple fermionic impurity models and discuss fermionic analogues of several paradigmatic phenomena in quantum optics, including formation of non-trivial bound states, (matter-wave) emission dynamics, and collective dissipation. For a single impurity, we highlight interesting ground-state features, focusing in particular on real-space signatures of an emergent length scale associated with an impurity screening cloud. We also present novel non-Markovian many-body effects in the quench dynamics of single- and multiple-impurity systems, including fractional decay around the Fermi level and multi-excitation population trapping due to bound states in the continuum.

研究の動機と目的

• 量子光学と強縮物性物理学を結ぶために、構造的バスターブに埋め込まれたフェルミ粒子系不純度模型を研究すること。
• 粒子統計（フェルミ粒子対ボソン）が束縛状態や散逸といった量子光学的現象に与える影響を明らかにすること。
• 超冷却フェルミガス系における多体効果の実験的検出可能性の兆候を同定すること。
• 2次元フェルミ粒子系バスターブにおける連続状態内の束縛状態（BIC）理論を一般化すること。
• 現在の低温原子実験で、基底状態のスクリーニングクラウドおよび非マルコフ的ダイナミクスを観測可能であることを示すこと。

提案手法

• 局所的ヘッジングを介して、局所的フェルミ粒子系不純度モードと結合する非相互作用スピンなしフェルミ粒子の格子を、構造的バスターブとしてモデル化する。
• 1次元および2次元における単一および複数不純度系の熱力学的極限（無限格子）を分析する。
• マルコフ的ダイナミクスにはマスター方程式を用い、非マルコフ的効果のための多励起状態への単一励起リゾルベント形式の一般化を実施する。
• 不純度-バスターブ相関関数を計算し、スクリーニングクラウドおよび出現する長尺度の実空間的特徴を抽出する。
• 占有された不純度とフェルミ海バスターブを初期状態として、クエンチダイナミクスを解析し、励起数の崩壊および捕獲を追跡する。
• 2次元バスターブにおけるBIC理論を一般化し、分数量的崩壊を支持する配置を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ粒子系不純度は1次元および2次元格子における構造的バスターブとどのように結合するか。また、その基底状態相関の普遍的スケーリング特性は何か。
• RQ2 バンド端以外のフェルミ準位が、単一不純度系における分数量的崩壊を誘発する役割を果たすメカニズムは何か。
• RQ3 連続状態内の束縛状態のような非マルコフ的多体効果は、複数不純度系のクエンチダイナミクスにどのように影響を与えるか。
• RQ4 フェルミ粒子系不純度模型におけるスクリーニングクラウドの実空間的特徴は何か。また、2次元系では距離に応じてどのようにスケーリングするか。
• RQ5 予測された多体効果は、現在の超冷却フェルミガス実験装置で実際に観測可能か。

主な発見

• 1次元系では、不純度-バスターブ相関関数が対数的スケーリングから r−1 スケーリングへとクロスオーバーするが、以前の予想よりも広いパラメータ範囲で普遍性が保持される。
• 2次元系では、長距離において相関関数が r−3/2 にスケーリングするが、これまでは r−1 と予測されていたことと矛盾し、別個のスクリーニング機構を示唆する。
• 分数量的崩壊はバンド端に限らず、フェルミ準位付近でも束縛状態の存在により発現する。そのダイナミクスは、不純度の局所的準位とフェルミ準位の相対的位置に強く依存する。
• 複数不純度系では多指数関数的崩壊を示し、連続状態内の束縛状態（BIC）を支持する配置では分数量的崩壊が観測される。
• 2次元フェルミ粒子系バスターブにおけるBIC理論は一般化され、このような配置では分数量的崩壊および励起数の捕獲が強く安定していることが示された。
• 有限サイズの実験的可視化可能な系において、基底状態のスクリーニングクラウドの特徴は検出可能であり、現在の低温原子プラットフォームで直接観測可能である。