[論文レビュー] Observation of Cooper Pairs in a Mesoscopic 2D Fermi Gas

Marvin Holten, Luca Bayha+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、単粒子およびスピン分解能モーメンタムイメージングを用いて、メソスコピック2次元超低温フェルミガスにおいてコープアー対を直接観測した。非相互作用から弱い引力に至る相互作用を調整することで、フェルミ表面における対相関を同定し、BCSに類似したペアリングを示した。より強い引力ではフェルミ海内部に分子ペアリングが生じ、制御された量子系においてコープアー対ペアリングから分子形成への連続的転移を実証した。

ABSTRACT

Pairing is the fundamental requirement for fermionic superfluidity and superconductivity. To understand the mechanism behind pair formation is an ongoing challenge in the study of many strongly correlated fermionic systems. Cooper pairs are the key ingredient to BCS theory as the microscopic explanation of conventional superconductivity. They form between particles of opposite spin and momentum at the Fermi surface of the system. Here, we directly observe Cooper pairs in a mesoscopic two-dimensional Fermi gas. We apply an imaging scheme that enables us to extract the full in-situ momentum distribution of a strongly interacting Fermi gas with single particle and spin resolution. Our ultracold gas allows us to freely tune between a completely non-interacting, unpaired system and weak attractions, where we find Cooper pair correlations at the Fermi surface. When increasing the attractive interactions even further, the pairs gradually turn into deeply bound molecules breaking up the Fermi surface. Our mesoscopic system is closely related to the physics of nuclei, superconducting grains or quantum dots. With the precise control over interactions, particle number and potential landscape in our experiment, the observables we establish in this work provide a new approach to longstanding questions concerning not only such mesoscopic systems but also their connection to the macroscopic world.

研究の動機と目的

• メソスコピック2次元フェルミガスにおいて、超流動性および超伝導性の中心的役割を果たすペアリングを直接観測すること。
• 非相互作用から強く引力的な状態に至るまで相互作用を調整することで、運動量空間におけるフェルミ粒子ペアリング相関の出現を調査すること。
• 少数体量子系における単粒子およびスピン分解能モーメンタム分布を解像できる高精度なイメージング技術を確立すること。
• 粒子数、相互作用強度、ポテンシャルの形状を調整可能な系において、BCS型コープアー対ペアリングから分子ペアリングへの遷移を調べること。
• 制御された少数体状態において、BEC-BCS転移およびメソスコピック量子相関を研究するための新規な実験的プラットフォームを提供すること。

提案手法

• 12個のフェルミ粒子（スピンアップ6個、スピンダウン6個）を含む2次元調和トラップを用い、高い忠実度で閉殻基底状態に準備した。
• 光学トランプと2次元光学ダイポールトラップを組み合わせ、空間的に閉じ込められ、相互作用強度を磁場調整により精密に制御可能なメソスコピック系を構築した。
• 自由膨張後の単原子およびスピン分解能検出を可能にする蛍光イメージング方式を実装し、量子ガスマクロスと同等の検出忠実度を達成した。
• 2体密度相関関数 $\mathcal{C}^{(2)}(\bm{p}, -\bm{p})$ を抽出して、運動量空間におけるペア相関を定量的に評価した。これは4点相関関数の連結部分として定義される。
• 弱い結合領域における期待されるペア相関関数を計算するためにBCS理論を適用し、ボゴリューボフ変換と平均場ペアリングギャップ $\Delta = \sqrt{2E_{\text{F}}E_{\text{B}}}$ を用いた。
• 強い結合領域をモデル化するために、2次元調和ポテンシャル内での2体ダイマーの試験波動関数を用い、粒子間距離が小さい領域における対数特異性を正則化するための短距離カットオフを導入し、4次元フーリエ変換により運動量空間での相関を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単粒子およびスピン分解能を備えたメソスコピック2次元フェルミガスにおいて、コープアー対相関を直接観測できるか？
• RQ2 引力相互作用の強さを弱い結合から強い結合に変化させた際に、ペア相関はどのように変化するか？
• RQ3 どの相互作用強度でペア相関がフェルミ表面からフェルミ海内部に移行し、BCSから分子ペアリングへの遷移を示すか？
• RQ4 観測された相関は、弱い結合極限におけるBCS理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 系の挙動は、強い結合領域における分子形成の理論的モデルとどのように比較できるか？

主な発見

• 弱い引力領域において、フェルミ表面でコープアー対相関が直接観測され、少数体系においてBCSに類似したペアリングの存在が確認された。
• ペア相関の振幅は相互作用強度の増加に伴い増大し、最適値に達した後、分子ペアリングへの遷移に伴い減少した。
• 強い相互作用領域では、ペア相関がフェルミ海の内部にまで広がり、強く結合した分子の形成を示している。
• 測定された運動量空間ペア相関関数は、弱い結合極限においてBCS理論の予測と非常に良好に一致しており、少数体系における理論フレームワークの妥当性が裏付けられた。
• 相互作用強度の増加に伴い、BCSペアリングから分子ペアリングへの連続的転移が観測され、メソスコピック領域では急激な相転移は観察されなかった。
• 初期状態は非常に低温であり、1粒子あたりのエントロピーは $0.1\,k_{\text{B}}$ のオーダーであった。熱エネルギーの増加に伴いペア相関の振幅が減少し、量子コherenceの役割が確認された。