[論文レビュー] Imprinting persistent currents in tunable fermionic rings

Giulia Del Pace, Klejdja Xhani+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Privacy-Preserving Technologies in Data被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、BCS-BEC遷移にわたる調整可能なフェルミ粒子環における量子化された持続的電流を高速かつ普遍的に印字し、制御することに成功した。w = 9までのオンデマンド回転が達成された。高精度な干渉計的読み取りと直接的な渦放出イメージングにより、超電流がサンプルの寿命にわたり準安定であることが明らかになった。特に、強い相互作用により、ユニタリティ付近で臨界回転数w_cが最大値を示し、超流動安定性における相互作用強度の役割が確認された。

ABSTRACT

Persistent currents in annular geometries have played an important role in disclosing the quantum phase coherence of superconductors and mesoscopic electronic systems. Ultracold atomic gases in multiply connected traps also exhibit long-lived supercurrents, and have attracted much interest both for fundamental studies of superfluid dynamics and as prototypes for atomtronic circuits. Here, we report on the realization of supercurrents in homogeneous, tunable fermionic rings. We gain exquisite, rapid control over quantized persistent currents in all regimes of the BCS-BEC crossover through a universal phase-imprinting technique, attaining on-demand circulations $w$ as high as 9. High-fidelity read-out of the superfluid circulation state is achieved by exploiting an interferometric protocol, which also yields local information about the superfluid phase around the ring. In the absence of externally introduced perturbations, we find the induced metastable supercurrents to be as long-lived as the atomic sample. Conversely, we trigger and inspect the supercurrent decay by inserting a single small obstacle within the ring. For circulations higher than a critical value, the quantized current is observed to dissipate via the emission of vortices, i.e., quantized phase slips, which we directly image, in good agreement with numerical simulations. The critical circulation at which the superflow becomes unstable is found to depend starkly on the interaction strength, taking its maximum value for the unitary Fermi gas. Our results demonstrate fast and accurate control of quantized collective excitations in a macroscopic quantum system, and establish strongly interacting fermionic superfluids as excellent candidates for atomtronic applications.

研究の動機と目的

• BCS-BEC遷移にわたる超低温フェルミ粒子環における、正確かつオンデマンド制御可能な量子化された持続的電流の実現を目的とする。
• 外部摂動が存在しない状況において、長寿命な準安定超電流を、位相的保護を活用して実現することを目的とする。
• 1つの欠陥を挿入して渦核生成を誘発し、超電流の崩壊ダイナミクスを観測することで、超電流の安定性を調査することを目的とする。
• 相互作用強度、特にユニタリティにおける影響が、超流動が不安定化する臨界回転数w_cにどのように作用するかを特定することを目的とする。
• 強い相互作用を示すフェルミ粒子超流動体が、アトムトロニクス応用の強固な候補であることを確立することを目的とする。

提案手法

• 調整可能なフェルミ粒子環における超流動回転状態wを、普遍的位相印字技術を用いて高速かつ正確に設定する。
• 干渉計的プロトコルにより、回転状態の高精度な読み取りが可能となり、環の周囲における局所的位相情報が得られる。
• 渦核生成を誘発し、超電流の崩壊を研究するために、環に1つの小さなガウス型欠陥を挿入する。
• 硬い壁型環ポテンシャルと多項的近似を用いたグロス＝ピタエフコンサイム方程式に基づく数値シミュレーションを用いて、相互作用領域全体のシステムをモデル化する。
• 化学ポテンシャルμとフェルミエネルギーE_Fは、多項的近似μ ∝ n^γを用いて計算され、γ = 1（BEC）、2/3（BCS）、およびユニタリティではγ = 2/3 × ξとなる。これはLuttinger-Wardの結果と整合的である。
• 音速はc_s = √(γμ/m)として計算され、BECおよびユニタリティ領域ではM = 2mが用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ粒子環において、BCS-BEC遷移全域にわたって、高精度かつ高速な持続的電流の印字が可能か？
• RQ2 外部摂動が存在しない状況において、準安定超電流の寿命はどの程度か？
• RQ3 フェルミ粒子超流動体における、渦放出の臨界回転数w_cは、相互作用強度にどのように依存するか？
• RQ4 Bertschパラメータξは、ユニタリティにおける超流動特性を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 渦放出ダイナミクスを直接イメージングし、数値シミュレーションと定量的に比較可能か？

主な発見

• wが9に達するまで、普遍的位相印字技術を用いて持続的電流を正確に印字し、安定化することに成功した。
• 外部摂動が存在しない状況では、超電流は原子系の寿命と同等に長期間安定していたことから、位相的保護の効果が示された。
• 渦放出が発生する臨界回転数w_cは、ユニタリティフェルミガス領域で最大値を示し、超流動不安定性が最も強く抑制されていることが示された。
• 渦の放出が直接イメージングされ、放出された渦の数と核生成のタイミングが、数値シミュレーションと一致した。
• ユニタリティ領域ではγ = 2/3 × ξ、BCS極限ではγ = 2/3として、多項的近似がμおよびE_Fを各領域で正確に再現した。
• 干渉計的読み取りプロトコルにより、回転状態と局所的位相巻き数の高精度な測定が可能となり、超電流状態の量子化性が確認された。