[論文レビュー] Sound propagation in a Bose-Fermi mixture: from weak to strong interactions

Krutik Patel, Geyue Cai+2 more|PubMed|May 28, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超低温セシウムおよびリチウム原子を用いた量子degenerateなボーズ＝フェルミ混合系における音波伝播を、フェシュバッハ共鳴を用いてinterspecies相互作用を調整することで調査した。中程度の引力下では音波モードの軟化が観測されたが、共鳴的・強い引力相互作用領域では予期しない安定音波の再発現が確認された。これは摂動論的予測に反するものであり、強い相関を持つボーズ＝フェルミ系における新しい量子相を研究する道を開いた。

ABSTRACT

Particlelike excitations, or quasiparticles, emerging from interacting fermionic and bosonic quantum fields underlie many intriguing quantum phenomena in high energy and condensed matter systems. Computation of the properties of these excitations is frequently intractable in the strong interaction regime. Quantum degenerate Bose-Fermi mixtures offer promising prospects to elucidate the physics of such quasiparticles. In this work, we investigate phonon propagation in an atomic Bose-Einstein condensate immersed in a degenerate Fermi gas with interspecies scattering length a_{BF} tuned by a Feshbach resonance. We observe sound mode softening with moderate attractive interactions. For even greater attraction, surprisingly, stable sound propagation reemerges and persists across the resonance. The stability of phonons with resonant interactions opens up opportunities to investigate novel Bose-Fermi liquids and fermionic pairing in the strong interaction regime.

研究の動機と目的

• 弱いから強い相互作用領域にかけて、ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）とdegenerateなフェルミガスが結合する系におけるフォノンの挙動を調査すること。
• フェルミ粒子が媒介する相互作用が、量子degenerate混合系における音速および安定性に与える影響を調査すること。
• 引力interspecies相互作用が存在する状況におけるフォノン軟化および不安定性の理論的予測を検証すること。
• 強い相関下でも安定した音波伝播が維持される条件を特定し、新たな量子シミュレーションの可能性を拓くこと。

提案手法

• レーザービームを用いて局所的な密度欠損を生成することで、シガーライクなセシウム-133 BECに密度波を光的に励起する。
• 保持時間を変化させながらBECのイン・サイト像像を用いて、これらの密度波の伝播速度および減衰率を測定する。
• フェシュバッハ共鳴を用いてinterspecies散乱長 $ a_{ ext{BF}} $ を調整し、弱い引力から強い引力への相互作用強度を制御する。
• フォノン-フェルミオン結合 $ g_k $ を含む平均場ハミルトニアンを用い、$ g_k ightarrow g_{ ext{BF}} $ とすることで、系の有効な力学をモデル化する。
• フェルミ粒子のスクリーニングおよび密度依存補正を組み込んだ修正された流体力学的モデルを適用し、音速を予測する。
• 不安定性の閾値近傍の実験データを $ v = eta imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c) imes ext{sign}(a_{ ext{BF}}) imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c)^{1/2} $ にフィットさせ、臨界散乱長 $ a_c $ を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BEC内のフォノンの音速は、弱いから強い相互作用領域にかけて、degenerateなフェルミガスと結合する際、どのように変化するか？
• RQ2 摂動論的予測通り、中程度の引力interspecies相互作用下でもフォノン軟化が生じるか？
• RQ3 フェシュバッハ共鳴付近の強い相互作用領域においても、安定した音波伝播が維持可能か？
• RQ4 強い引力相互作用によって音波伝播が不安定化する臨界散乱長 $ a_c $ は何か？
• RQ5 平均場および摂動論的モデルは、強い相互作用領域における実験観測とどのように一致するか？

主な発見

• 中程度の引力下では音速が低下し、フォノン軟化および摂動論的予測と整合的である。
• 強い引力下でも、共鳴的interspecies散乱長において、予想に反して安定した音波伝播が再発現した。
• 不安定化の臨界散乱長は $ a_c = -790(10) ext{ }a_0 $ と測定され、系統的不確かさは $ 30 ext{ }a_0 $ であった。
• 不安定性に近接する領域の音波速度は $ v ightarrow ext{const} imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c) imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c)^{1/2} $ の依存性を示し、$ v = eta imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c)^{1/2} $ に良好にフィットした。
• フィットから速度スケール $ eta = 32(1) ext{ } ext{m} ext{ } ext{m}/ ext{s} imes a_0^{-1/2} $ が得られ、非摂動的集団モードの回復を示した。
• 有効結合 $ g_k $ を含む平均場ハミルトニアンと修正された圧縮率を用いた理論的モデリングは、$ a_c $ 近傍の非単調な振るまいを含め、実験データを正確に捉えていた。