[論文レビュー] Observation of universal Kibble-Zurek scaling in an atomic Fermi superfluid

Kyu‐Hwan Lee, Sol Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamicsPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超流動相転移を通過する際に温度または相互作用強度をクイックに変化させることで、均一で強い相互作用を示す超低温フェルミガスにおいて普遍的なキッブル＝ツーレクスケーリングを観測した。非常に異なる凝縮形成 timescale を示しても、両方のクイックプロトコルとも同じキッブル＝ツーレク指数 0.68(2) を得ており、スケール不変性によって支配される普遍的な臨界力学の確認と、超流動体におけるツーレクの思考実験の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

Half a century ago, T. Kibble proposed a scenario for topological defect formation from symmetry breaking during the expansion of the early Universe. W. Zurek later crystallized the concept to superfluid helium, predicting a power-law relation between the number of quantum vortices and the rate at which the system passes through the lambda transition. Here, we report the observation of Kibble-Zurek scaling in a homogeneous, strongly interacting Fermi gas undergoing a superfluid phase transition. We investigate the superfluid transition using two distinct control parameters: temperature and interaction strength. The microscopic physics of condensate formation is markedly different for the two quench parameters, signaled by their two orders of magnitude difference in the condensate formation timescale. However, regardless of the thermodynamic direction in which the system passes through a phase transition, the Kibble-Zurek exponent is identically observed to be about 0.68 and shows good agreement with theoretical predictions that describe superfluid phase transitions. This work demonstrates the gedanken experiment Zurek proposed for liquid helium that shares the same universality class with strongly interacting Fermi gases.

研究の動機と目的

• 均一で強い相互作用を示すフェルミガスを用いて、超流動相転移におけるキッブル＝ツーレクスケーリングの普遍性を検証すること。
• 温度と相互作用強度という異なるクイックパラメータが、微視的ダイナミクスが著しく異なるにもかかわらず、同じキッブル＝ツーレク指数をもたらすかどうかを調査すること。
• 長時間の緩和時間を示す系において、欠陥密度とクイック時間の間の予測されたべき乗則スケーリングが実験的に観測可能かどうかを確認すること。
• 調整可能な超低温原子系を用いて、液体ヘリウム-4 におけるツーレクの思考実験を実現すること。
• スケール不変性および臨界指数が非平衡量子相転移に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 温度および相互作用強度を制御パラメータとして用い、超流動相転移を通過するクイックを実行すること。
• 磁気フェシュバッハ共鳴を用いて、ユニタリフェルミガスにおいて相互作用強度を急速かつ正確に調整すること。
• 時間飛行像像を用いて、量子渦の平均数を測定し、渦コアを検出すること。
• クイック時間と渦数の関係をべき乗則にフィットさせ、キッブル＝ツーレク指数を抽出すること。
• クイック時間の正規化に、$ t_{\text{sat}} $（$ N_{\text{v}} = 10 $ となる時間）を用い、異なるクイックプロトコル間でデータを収束させること。
• 異なるクイック条件における秩序パラメータ形成の時間スケールを比較するため、凝縮分率を測定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ超流動相転移を引き起こすにあたり、温度と相互作用強度という異なる制御パラメータを用いた場合、キッブル＝ツーレクスケーリング指数が普遍的であるか？
• RQ2 温度クイックと相互作用クイックという異なるプロトコルにおける凝縮形成の微視的ダイナミクスは、どのように異なるか？
• RQ3 欠陥密度とクイック時間の間の予測されたべき乗則スケーリングが、均一で強い相互作用を示すフェルミガスにおいて実験的に観測可能か？
• RQ4 超低温ガス実験で一般的に見られる有限サイズ効果および不均一性は、普遍的KZスケーリングの観測にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 キッブル＝ツーレク指数は、超流動相転移の臨界指数 $ \nu $ および $ z $ に基づく理論予測と整合的か？

主な発見

• 温度クイックおよび相互作用クイックの両プロトコルにおいて、キッブル＝ツーレク指数が $ \alpha_{\text{KZ}} = 0.68(2) $ と測定され、普遍性が確認された。
• 凝縮形成の時間スケールに2桁の差があっても、同じKZ指数が観測されたため、普遍的な臨界力学の強靭性が示された。
• 欠陥の飽和レベルが $ N_{\text{v}} \sim 10 $ で観測され、両クイックタイプで一貫しており、欠陥密度における普遍的限界を示している。
• クイック時間の複数のデケードにわたる範囲で、渦数とクイック時間のべき乗則スケーリングが確認され、$ t_{\text{sat}} $ を用いた正規化により優れたデータ収束が達成された。
• 温度クイックでは0.3秒以内に凝縮分率が0.4未満に低下したが、相互作用クイックでは2ms未満のクイック時間でのみ同様の低下が観測され、形成ダイナミクスの顕著な違いが示された。
• 結果は、長時間の衝突時間を示す調整可能な超低温フェルミガス系において、液体ヘリウム-4 におけるツーレクの理論的思考実験が妥当であることを裏付けた。