[論文レビュー] Fermionic Superfluidity with Imbalanced Spin Populations and the Quantum Phase Transition to the Normal State

Martin W. Zwierlein, André Schirotzek+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2005

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、不均衡スピン分布を有する超低温 6Li フェルミ粒子系における超流動相転移を実験的にマッピングし、ユニタリティ近辺でもスピン不均衡が生じる中で超流動性が依然として頑健であることを示した。回転する系における渦形成と凝縮対の割合を測定することで、化学ポテンシャル差が対結合ギャップを上回る際に破綻するという、パウリ限界と整合する臨界スピン不均衡 δc ≈ 70(3)% における量子相転移を同定した。

ABSTRACT

Whether it occurs in superconductors, helium-3 or inside a neutron star, fermionic superfluidity requires pairing of fermions, particles with half-integer spin. For an equal mixture of two states of fermions ("spin up" and "spin down"), pairing can be complete and the entire system will become superfluid. When the two populations of fermions are unequal, not every particle can find a partner. Will the system nevertheless stay superfluid? Here we study this intriguing question in an unequal mixture of strongly interacting ultracold fermionic atoms. The superfluid region vs population imbalance is mapped out by employing two complementary indicators: The presence or absence of vortices in a rotating mixture, as well as the fraction of condensed fermion pairs in the gas. Due to the strong interactions near a Feshbach resonance, the superfluid state is remarkably stable in response to population imbalance. The final breakdown of superfluidity marks a new quantum phase transition, the Pauli limit of superfluidity.

研究の動機と目的

• 不均衡スピン分布を有する強い相互作用を示す超低温フェルミ粒子系における超流動性の安定性を調査すること。
• 超流動性の崩壊が発生する臨界スピン不均衡を実験的に特定し、量子相転移を示すこと。
• 2つの補完的指標（渦形成と対凝縮分率）を用いて、ユニタリティ領域における超流動から正準状態への相転移の性質を解明すること。
• 磁場の影響がない清浄で調整可能な系において、理論的予測のパウリ限界を検証すること。
• 強い相関を持つフェルミガスにおける超流動性、スピン不均衡、相互作用強度の相乗的相互作用を調査すること。

提案手法

• 不均衡スピン混合系における超流動性の直接的兆候として、回転トラップを用いて渦形成を誘発した。
• 時間飛行法と動量分布解析を用いて、凝縮フェルミ粒子対の割合を測定した。
• フェシュバッハ共鳴を用いて相互作用強度を調整し、BEC-BCSクロスオーバー領域を探索した。
• 調和トラップ内でのスピン上・スピン下 6Li 原子間のスピン不均衡を変化させ、超流動相境界をマッピングした。
• 温度依存測定を用いて、臨界不均衡が弱く温度依存的であることを確認し、零温度近傍の量子相転移挙動であることを示した。
• 実験結果をモンテカルロシミュレーションおよび理論モデルと比較し、特に δμ ≈ 2Δ が崩壊点を示す予測と一致した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相互作用を示す超低温フェルミガスにおいて、超流動性が維持される最大のスピン不均衡は何か？
• RQ2 スピン不均衡下で、BEC-BCSクロスオーバー領域における超流動相境界はどのように変化するか？
• RQ3 スピン分布が不均衡な状態で、超流動から正準状態への量子相転移の性質は何か？
• RQ4 超流動性の崩壊の臨界不均衡は、理論的パウリ限界予測 δμ ≈ 2Δ と一致するか？
• RQ5 渦形成と対凝縮分率は、不均衡フェルミ混合系における超流動性の信頼できる指標としてどのように機能するか？

主な発見

• 超流動性の崩壊の臨界スピン不均衡は δc ≈ 70(3)% で測定され、調和トラップ内でのフェルミエネルギー差は δEF ≈ 0.53(3)EF に相当する。
• ユニタリティ近辺でも超流動性は頑健であり、強い対結合相関のおかげで、大きなスピン不均衡に対しても超流動領域が広がっている。
• 遷移点付近で渦形成が強く減衰し、正準状態への移行の兆候となり、量子相転移を確認した。
• 対凝縮分率はスピン不均衡が増加するにつれて減少し、大きな非対称性で消失し、少数スピン成分におけるクーパー対結合の喪失を示した。
• 臨界不均衡は弱い温度依存性を示し、相転移が零温度で発生し、量子揺らぎが支配的であることを示した。
• 実験結果は、δμ ≈ 2.0(1)Δ で超流動性が崩壊するというモンテカルロ予測と整合しており、パウリ限界が正しい理論的記述であることを支持した。