[論文レビュー] Observation and quantification of pseudogap in unitary Fermi gases

Xi Li, Shuai Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2023

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

ひとこと要約

本研究では、rf分光法に伴う最終状態効果を回避することができる動量分解型マイクロ波分光法を用いて、6Li原子の均一なユニタリーフェルミガスにおいて、ペアフラクチュエーション駆動の擬似ギャップを観測および定量した。実験では、Tcより高い温度領域に広大でTに依存しない擬似ギャップが存在し、逆ペア寿命が熱的に活性化された挙動を示すことが判明した。これは仮想ペアの破壊と再結合と整合的である。また、1粒子散乱率はプランクリアン限界に近づいており、これは事前形成ペアが超伝導性の前身であることを確認するものである。

ABSTRACT

The nature of pseudogap lies at the heart of strongly-interacting superconductivity and superfluidity. With known pairing interactions, unitary Fermi gases provide an ideal testbed to verify whether a pseudogap can arise from many-body pairing. Here we report the observation of the long-sought pair-fluctuation-driven pseudogap in homogeneous unitary Fermi gases of lithium-6 atoms, by precisely measuring the spectral function through momentum-resolved microwave spectroscopy without the serious effects of final-state effect. We find a large pseudogap above the superfluid transition. The inverse pair lifetime exhibits a thermally-activated exponential behavior, uncovering the microscopic virtual pair breaking and recombination mechanism. The obtained large, T-independent single-particle scattering rate is comparable with that set by the Planckian limit. Our findings quantitatively characterize the pseudogap in strongly-interacting Fermi gases, highlighting the role of preformed pairing as a precursor to superfluidity.

研究の動機と目的

• 強い相関するフェルミ系における擬似ギャップの存在について長年の議論を解消すること。
• ユニタリーフェルミガスにおける擬似ギャップが、強いペアフラクチュエーションに起因する事前形成ペアに由来することを実験的に検証すること。
• 均一系においてペアギャップΔ(T)、逆ペア寿命Γ₀、1粒子散乱率Γ₁の定量的測定を提供すること。
• 従来の分光測定を妨げてきた実験的アーチファクト（最終状態効果やトラップの不均一性）を排除すること。
• 強い相互作用フェルミガスおよび高温超伝導体の多体理論のベンチマークを確立すること。

提案手法

• 調和トラップに起因する空間的不均一性を排除するため、シリンダーボックストラップを用いて均一なユニタリーフェルミガスを実現した。
• rf分光法が抱える最終状態相互作用を回避するため、スペクトル関数A(k,ω)をプローブする動量分解型マイクロ波分光法を開発した。
• ハイパーファイン状態間のマイクロ波遷移における超高エネルギー分解能を実現するため、高安定性の磁場を用いた。
• 測定されたスペクトル関数を最小限のフェルミオン自己エネルギーモデルでフィットした：Σ(k,ω) = Δ² / (iħΓ₀ - iħΓ₁ + [ξ(k) - εk + μ])、ここでξ(k) = ħ²k²/2m* + U - μ。
• クーパー対の分散関係のフィットとエネルギー分布曲線（EDC）解析の両方からΔ(T)、Γ₀(T)、Γ₁を抽出し、相互確認を行った。
• T ≈ 0.77Tcから1.51Tcまでの系統的温度スイープを実施し、擬似ギャップおよび緩和率の温度依存的挙動をマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一なユニタリーフェルミガスにおいてペアフラクチュエーション駆動の擬似ギャップが存在するか、実験的に観測可能か？
• RQ2 逆ペア寿命Γ₀の微視的起源は何か？また、それは熱的に活性化された挙動を示すか？
• RQ3 Tc近傍における1粒子散乱率Γ₁の挙動は？プランクリアン限界に近づくか？
• RQ4 スペクトル関数がTcより上でも2つのBCSに類似した準粒子励起状態を示すか？これは事前形成ペアの存在を示唆するか？
• RQ5 抽出されたパラメータΔ(T)、Γ₀(T)、Γ₁は、多体理論に対してどの程度定量的ベンチマークを提供できるか？

主な発見

• Tcの1.11倍の温度でΔ(1.11Tc) = 0.195(3)EFのペアギャップが観測され、Tcより高い温度まで広大な擬似ギャップが持続していることが確認された。これは、顕著な擬似ギャップ領域を示している。
• 逆ペア寿命Γ₀は、活性化エネルギーEa = 2Δ₀（Δ₀ = 0.39(8)EF）を持つ指数関数的温度依存性を示し、仮想ペアの破壊と再結合と整合的である。
• Tc近傍における1粒子散乱率Γ₁ ≈ 0.3EF/ħは、プランクリアン限界（kB T/ħ）のおよそ1.7倍であり、ユニタリ相互作用に起因する強い散乱を示している。
• Γ₁はTc付近で弱い温度依存性を示し、ペア形成とはほとんど相関しないことが判明した。これは、ユニタリーフェルミガスにおける粘性緩和率と整合的である。
• 分散関係フィットとEDCフィットから抽出した擬似ギャップは、誤差範囲内で一致しており、測定の定量的正確性と頑健性を確認した。
• Tcより上でもA(k,ω)に2つのBCSに類似した準粒子励起状態が観測されたことから、事前形成ペアが超伝導性の前身として存在する直接的証拠が得られた。