[論文レビュー] Optical Control of Exchange Interaction and Kondo Temperature in cold Atom Gas

Igor Kuzmenko, Tanya Kuzmenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、173Yb原子を用いた超低温原子系において、レーザー強度を調整することで、移動性のある1S0状態と局在的な3P0状態の間の交換相互作用およびKondo温度を光学的に制御することを示している。レーザー強度が増加するにつれ、交換結合の符号と強度が変化し、反強磁性から強磁性に切り替わる。これは、スイングレットFeshbach共鳴付近でKondo効果が顕著に現れ、散乱長およびT_Kの解析的・数値的計算により確認された。

ABSTRACT

The relevance of magnetic impurity problems in cold atom systems depends crucially on the nature of exchange interaction between itinerant fermionic atoms and a localized impurity atom. In particular, Kondo physics occurs only if the exchange interaction is anti-ferromagnetic, and strong enough to yield high enough Kondo temperature ($T_K/T_F \ge 0.1$). Focusing, as an example, on the experimentally accessible system of ultra-cold $^{173}$Yb atoms, it is shown that the sign and strength of an exchange interaction between an itinerant Yb($^{1}$S$_{0}$) atom and a trapped Yb($^{3}$P$_{0}$) atom can be optically controlled. Explicitly, as the light intensity increases (from zero), the exchange interaction changes from ferromagnetic to anti-ferromagnetic. When the light intensity is just below a singlet Feshbach resonance, the singlet scattering length $a_S$ is large and negative, and the Kondo temperature increases sharply.

研究の動機と目的

• 超低温173Yb原子を用いた量子インポジション系における交換相互作用の光学的チューニングを可能にする。
• 交換相互作用が反強磁性を示す条件を特定し、Kondo効果の前提条件を満たす。
• 散乱長の制御を通じて、Kondo温度T_Kがレーザー強度にどのように依存するかを計算・分析する。
• 文献において、レーザー場が存在しない状態でも反強磁性交換相互作用が存在するとされた誤った主張を是正する。
• 光学的制御を用いた、Kondo物理学および関連する特異な現象を研究するための実現可能かつ実験的実装可能なプラットフォームを確立する。

提案手法

• 173Yb原子を1S0（移動性）および3P0（局在）状態に配置し、両者ともスピンF=5/2を有するため、SU(6)対称性を有するKondo物理学が可能となる。
• レーザー光ビームが状態依存の光学的ポテンシャルを生成し、3P0原子を捕らえる一方、1S0原子は浅い正方形井戸中に縮退したフェルミガスを形成する。
• 交換相互作用は、スキャッタリング行列を用いた有効ハミルトニアン形式から導出され、スイングレット（a_S）およびトリプレット（a_T）散乱長の関数として表される。
• レーザー強度を変化させることで、ポテンシャルの深さV_0が変化し、これにより光学的Feshbach共鳴メカニズムを通じてa_Sおよびa_Tが制御され、交換相互作用の符号と大きさが調整可能となる。
• Kondo温度T_Kは、標準的なKondoモデルに基づき計算される：T_K = D_0 exp(-1/(6 g_exch ρ(ε_F)))、ここでD_0 = 2ħΩ_e / k_Bであり、ρ(ε_F)はフェルミエネルギーにおける状態密度である。
• 数値的結果は、連成チャネルシュレーディンガー方程式からa_S(V_0)およびa_T(V_0)を計算し、a_T > a_Sとなる領域でT_Kを評価することで得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子系における移動性および局在的フェルミ粒子間の交換相互作用の符号を、光学的にチューニング可能か？
• RQ2 散乱長が可変な系において、Kondo温度T_Kはレーザー強度にどのように依存するか？
• RQ3 交換相互作用が強磁性から反強磁性に切り替わるレーザー強度はどの程度か？（Kondo効果が発現する条件）
• RQ4 特にスイングレット散乱長が-∞に近づくとき、光学的Feshbach共鳴付近でのKondo温度の定量的挙動は？
• RQ5 光学的制御メカニズムにより、超低温173YbガスにおけるSU(6)対称性Kondo物理学を強固かつ実験的に実現可能か？

主な発見

• 173Yb原子の1S0および3P0状態間の交換相互作用は、V_0に比例するレーザー強度が0から増加するにつれ、強磁性から反強磁性に切り替わる。
• この遷移は、スイングレット散乱長a_Sがトリプレット散乱長a_Tより小さくなる際に発生し、これはスイングレットFeshbach共鳴付近で発現する。
• Feshbach共鳴に近づくとa_S → -∞となるため、有効交換結合が発散し、Kondo温度T_Kは急激に上昇する。
• ε_F / k_B = 100 nKの場合、T_Kは観測可能なKondo物理学に必要な閾値T_K / T_F ≥ 0.1を著しく上回る値に達し、本効果の実現可能性が裏付けられる。
• 臨界ポテンシャルV_cは、Kondo効果が存在しない領域（a_S > a_T、図3の赤領域）と存在する領域（a_S < a_T、青領域）を分ける。
• 本研究は、先行文献[IK-TK-YA-GBJ-PRB-16]における「レーザー場が存在しない状態でも反強磁性交換相互作用が存在する」との主張を是正し、実際には光学的制御によってのみそのような相互作用が誘発されることを示した。