[論文レビュー] $η$ Pairing of Light-Emitting Fermions: Nonequilibrium Pairing Mechanism at High Temperatures

Masaya Nakagawa, Naoto Tsuji+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

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

ひとこと要約

本稿は、超低温フェルミ原子系における自発的光放出を介した$η$対励起の非平衡メカニズムを提案する。パウリの排他原理と破壊的干渉が、フェルミ粒子対の崩壊を防ぐ。驚くべきことに、無限大の温度初期状態からも、熱的平衡ではなく散逸ダイナミクスによって安定化される高温超流動性を示す coherent $η$-対状態が出現する。

ABSTRACT

Strongly interacting fermionic atoms are shown to develop $η$-pairing superfluid correlations in a nonequilibrium steady state in the presence of spontaneous emission of light from atoms. On the basis of the Hubbard model subject to spontaneous decay between internal spin states, we show that prohibition of radiative decay due to the Pauli exclusion principle and destructive interference between doublon-decay processes lead to nonequilibrium $η$ pairing. Because of the non-thermal nature of the steady state, pair correlations arise even from a completely uncorrelated infinite-temperature initial state, allowing coherent atom pairs to be formed at high temperatures. Experimental implementation with fermionic atoms in an optical lattice is discussed.

研究の動機と目的

• フェルミ＝ハッブル系において、フェルミ原子からの光の自発的放出によって駆動される非平衡定常状態で$η$-対励起超流動性が安定化されることを示す。
• 放射過程が存在する中で、ドゥブルン対の崩壊を防ぐ二重保護機構（パウリの排他原理と破壊的干渉）を同定する。
• 相関のない無限大の温度初期状態からでさえ、従来のBCS型対励起に反して、coherent $η$-対状態が形成されることを示す。
• 光格子中のアルカリ土類元素に類似たフェルミ原子を用いた実験的実装の可能性を提案し、運動量分布測定による検出可能なシグネチャーを提示する。

提案手法

• フェルミ＝ハッブル系におけるスピンアップ状態からスピンダウン状態への自発的放出をモデル化するため、非エルミートなリンドブラッド演算子を用いた一般化された量子マスター方程式を採用する。
• 原子のラムダ型エネルギー準位構造を組み込み、励起状態を介した基底状態への遷移が、コherentlyな結合と光子放出を可能にする。
• 理論的解析により、局所的ドゥブルン対がパウリの排他原理によって、占有されたサイトからの単粒子放出を防ぐことが示される。
• ドゥブルン対の崩壊を引き起こす競合する経路間の破壊的干渉が、対の破壊を抑制し、$η$-対励起状態を定常状態として安定化する。
• 量子軌道法を用いた数値シミュレーションにより、マスター方程式を解き、対相関、ドゥブルン密度、運動量分布の時間発展を追跡する。
• 散逸ダイナミクス下での$η$-対励起の形成を調査するため、ドゥブルン密度波状態を初期状態として設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ＝ハッブル系において、フェルミ原子からの光の自発的放出によって駆動される非平衡定常状態で$η$-対励起超流動性が安定化可能か？
• RQ2 散逸が存在する中で、$η$-対励起状態が放射的崩壊から保護される量子多体的メカニズムは何か？
• RQ3 散逸によるエントロピー低減によって、無限大の温度初期状態からも$η$-対励起がcoherentに出現可能か？
• RQ4 位相のずれを引き起こす過程が、コherencyを破る可能性がある場合、$η$-対励起形成はどの程度頑健か？
• RQ5 超低温原子系における$η$-対励起の検出に適した実験的シグネチャーは何か？

主な発見

• 自発的放出によるエントロピー低減のおかげで、無限大の温度初期状態からも$η$-対励起状態が非平衡定常状態として出現する。
• パウリの排他原理により、局所的ドゥブルン対が放射的崩壊から保護され、放射的崩壊に対する第一の保護層が得られる。
• 競合するドゥブルン対崩壊経路間の完全な破壊的干渉が、対の破壊を防ぎ、$η$-対励起状態の長寿命なコherencyを保証する。
• 相互作用強さ$U$と自発的放出率$γ$の広い範囲で、対相関が安定しており、パラメータの広い安定性が示される。
• 位相のずれの率$\gamma_d$による影響で、対相関は時間定数$1/\gamma_d$のスケールで減少するが、$\gamma_d \ll \gamma, t$であれば$η$-対励起は依然として観測可能である。
• 運動量分布測定により、$k = \pm\pi$に明確なピークが観測され、中程度の位相のずれが存在する状況でも$η$-対励起形成の検出可能なシグネチャーとして機能する。