[論文レビュー] Strongly Interacting Bose Gases near a $d$-wave Shape Resonance

Xing-Can Yao, Ran Qi+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、縮重41Kボーズガスにおける広帯域のd波形状共鳴の初の実験的観測を報告し、分子結合エネルギーに三重に分岐した構造が示され、d波分子の証拠が得られた。共鳴を通過するラーピング操作により、長寿命で低温の原子-分子混合状態が形成され、減衰がほとんどない呼吸モード振動が観測された。これは、超低温量子ガスにおけるd波分子超伝導相の可能性を強く示唆する。

ABSTRACT

Many unconventional quantum matters, such as fractional quantum Hall effect and $d$-wave high-Tc superconductor, are discovered in strongly interacting systems. Understanding quantum many-body systems with strong interaction and the unconventional phases therein is one of the most challenging problems in physics nowadays. Cold atom systems possess a natural way to create strong interaction by bringing the system to the vicinity of a scattering resonance. Although this has been a focused topic in cold atom physics for more than a decade, these studies have so far mostly been limited for $s$-wave resonance. Here we report the experimental observation of a broad $d$-wave shape resonance in degenerate ${}^{41}$K gas. We further measure the molecular binding energy that splits into three branches as a hallmark of $d$-wave molecules, and find that the lifetime of this many-body system is reasonably long at strongly interacting regime. From analyzing the breathing mode excited by ramping through this resonance, it suggests that a quite stable low-temperature atom and molecule mixture is produced. Putting all the evidence together, our system offers great promise to reach a $d$-wave molecular superfluid.

研究の動機と目的

• 強い相互作用を示すボーズガスにおいて、これまで超低温原子系で未到達であったd波形状共鳴を実験的に観測すること。
• d波共鳴近くでの多体物理学、特にd波分子の形成と安定性を調査すること。
• 原子と分子の長寿命で低温の混合状態が安定化可能かどうかを特定し、新しい量子相へのアクセスを可能にすること。
• 分光的および動的測定を通じて、d波分子超伝導性の出現を調べること。

提案手法

• 縮重41Kガスにおけるd波形状共鳴近くで相互作用を磁気フェシュバッハ共鳴を用いて調整した。
• 三重に分岐したd波部分波の特徴を示す分子結合エネルギーの三重分岐を特定するために、原子損失と分子結合エネルギーを測定した。
• 共鳴を通過するラーピング操作により、呼吸モード振動を励起し、最終的な多体状態に関する情報を抽出した。
• ラーピング速度の関数としての振動振幅と最終原子数の分析により、原子-分子混合状態の存在を推定した。
• 最終的なトーマス＝フェルミ半径が原子のみによって決定されると仮定し、関係式 $ R_{ m f} = (15a_{ ext{s}}a_{ ext{ho}}^{4}N_{ ext{a}})^{1/5} $ を用いて原子分率を抽出し、結果として分子分率を算出した。
• 実験データの振動振幅と残存原子数を、ラーピング速度の関数としてフィッティングし、分子分率 $ 2N_{ ext{m}}/N_{ ext{f}} $ を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縮重41K原子ボーズガスにおいて、広帯域のd波形状共鳴を実験的に観測できるか？
• RQ2 分子結合エネルギーに三重分岐構造が現れ、d波性が確認できるか？
• RQ3 d波共鳴近くの強い相互作用領域における多体系の寿命はどの程度か？
• RQ4 共鳴を通過するラーピング操作により、安定な原子と分子の混合状態が形成され、低温の量子相にあるか？
• RQ5 観測された呼吸モード振動は、d波分子超伝導体の形成を示唆できるか？

主な発見

• 広帯域のd波形状共鳴が縮重41Kガスで実験的に観測され、分子結合エネルギーの三重分岐によって裏付けられた。
• 強い相互作用領域において、多体ダイナミクスの研究が可能な十分な寿命を示した。
• 共鳴を通過した後の呼吸モード振動はほとんど減衰せず、系が低温の量子状態に保たれていることを示唆した。
• 振動振幅と最終原子数の分析から、分子分率がラーピング速度に依存して非単調に変化し、中間速度でピークを示すことが判明し、安定な原子-分子混合状態の存在を確認した。
• 分子分率 $ 2N_{ ext{m}}/N_{ ext{f}} $ は中間のラーピング速度で最大値に達し、原子と分子の凝縮相と整合的である。
• すべての証拠が、この系にd波分子超伝導体が形成されていることを総合的に支持しており、非対称的超伝導性の研究のためのプラットフォームを提供する。