[論文レビュー] Optical conductivity of a quantum gas

Rhys Anderson, Fudong Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、周期的な力として調制されたトラップポテンシャルを用いて、立方格子内の超低温フェルミ粒子系の量子ガスに周期的力を加え、その結果生じる原子電流応答を観測することにより、その光学的導電率を測定した。線形応答理論と緩和時間近似を用いて、交流導電率と輸送時間の抽出を行い、超低温原子実験と固体物理学における導電率測定の直接的な関連を確立した。

ABSTRACT

We measure the conductivity of neutral fermions in a cubic lattice. A uniform force is applied at a single frequency by periodic displacement of the trapping potential, and the current response is observed though the global displacement of atoms. In the linear response regime, the steady-state ratio between current and force gives the ac conductivity. The tensor properties of the conductivity reveal temporal and spatial symmetries of the sample. Similarly to optical conductivity commonly measured in materials with reflectivity, exact sum rules relate dynamical measurements to thermodynamic properties. We explore the effect of lattice depth, temperature, interaction strength, and atom number on conductivity. Using a relaxation-time approximation, we extract the transport time of current. Our work enables a direct comparison between cold-atom experiments and conductivity studies of materials.

研究の動機と目的

• 中性フェルミ粒子系の量子ガスの交流光学的導電率を、立方格子内の超低温フェルミ粒子系で測定すること。
• 超低温原子を用いて、固体状態材料における光学的導電率測定の直接的な実験的アナログを確立すること。
• 格子の深さ、温度、相互作用強さ、原子数が輸送特性に与える影響を調べること。
• 緩和時間近似を用いて輸送時間を抽出し、その動的応答との関連を明らかにすること。
• 導電率の正確な和則およびテンソルの対称性を検証し、動的性質と熱力学的・対称性的性質を結びつけること。

提案手法

• 単一周波数で光格子ポテンシャルを変調することにより、量子ガスに一様で時間周期的な力を加える。
• 時間飛行イメージングを用いて、その結果生じる全体系の原子電流を測定し、定常状態での電流応答を特定する。
• 線形応答理論を用いて、電流と印加力の比から交流導電率を抽出する。
• 導電率のテンソル構造を分析し、系の時間的および空間的対称性を推定する。
• 緩和時間近似を用いて電流の減衰をモデル化し、輸送時間を抽出する。
• 格子深さ、温度、相互作用強さ、原子数を系統的に変化させ、それらが導電率に与える影響を調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性フェルミ粒子系の量子ガスが立方格子に閉じ込められた場合の光学的導電率は、固体状態材料とどのように異なるか？
• RQ2 交流導電率は、格子深さ、温度、相互作用強さ、原子数にどのように依存するか？
• RQ3 導電率のテンソル成分は、系の本質的対称性をどのように反映しているか？
• RQ4 この超低温原子系において、導電率の正確な和則がどの程度成立するか？
• RQ5 抽出された輸送時間は何か？また、系のパラメータに依存してどのように変化するか？

主な発見

• 測定された交流導電率は、線形応答理論と整合する明確な周波数依存性を示した。
• 導電率のテンソル構造から、系の時間反転対称性および空間的対称性が明らかになった。
• 超低温原子系において、光学的導電率の正確な和則が検証され、動的応答と熱力学的性質が結びつけられた。
• 緩和時間近似を用いて輸送時間が抽出され、格子深さと温度に依存する傾向が示された。
• 相互作用強さと原子数に依存する導電率の変化が観測され、相互作用が強い場合には顕著な抑制が見られた。
• 実験設定により、超低温原子系と従来の物質との間で、光学的導電率の測定において直接的な定量的比較が可能になった。