[論文レビュー] Strongly Interacting Isotopic Bose-Fermi Mixture Immersed in a Fermi Sea

Cheng-Hsun Wu, Ibon Santiago+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 23, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、1つのトラップ内に41K（ボソン）、40K（フェルミオン）、6Li（フェルミオン）の強い相互作用を示す三重にデゲネレートした量子混合系を構築した。41Kを冷却媒体として用いることで、両方のフェルミオン種がシンパシティック冷却され、全3種の量子デゲネレート状態が達成された。41Kと40Kの間には広帯域のs波フェシュバッハ共鳴が観測され、不釣り合いな質量を持つ強相関系における極小子的状態へアクセス可能となり、調整可能な相互作用を有する質量不釣り合いの強相関量子混合系を研究するためのプラットフォームが提供された。

ABSTRACT

We have created a triply quantum degenerate mixture of bosonic $^{41}$K and two fermionic species $^{40}$K and $^6$Li. The boson is shown to be an efficient coolant for the two fermions, spurring hopes for the observation of fermionic superfluids with imbalanced masses. We observe multiple heteronuclear Feshbach resonances, in particular a wide s-wave resonance for the combination $^{41}$K-$^{40}$K, opening up studies of strongly interacting {\it isotopic} Bose-Fermi mixtures. For large imbalance, we enter the polaronic regime of dressed impurities immersed in a bosonic or fermionic bath.

研究の動機と目的

• 41K（ボソン）、40K（フェルミオン）、6Li（フェルミオン）という3種の超低温原子種の強い相互作用を示す量子デゲネレート混合系を構築すること。
• 41Kを冷却媒体として用いることで、40Kおよび6Liの両方を効率的にシンパシティック冷却し、全3種の原子が量子デゲネレート状態に達することの実証。
• フェシュバッハ共鳴による相互作用調整により、質量不釣り合いのボーズ＝フェルミ混合系において極小子的状態にアクセスすること。
• 異なる量子統計を有する同位体混合系におけるユニバーサル多体物理の解明。

提案手法

• 6Liおよびカリウム同位体の両方のための独立した2本のゼーマンスローラー光ビームを用い、高いフラックスを達成するとともに、全3種の原子を同時に磁気光トラップに捕獲する。
• 全原子種のトラップポテンシャルがほぼ同一となる1つの光学プラグ磁気トラップに原子をロードし、微小な差分力の発生を最小限に抑える。
• ラジオ周波数蒸発を適用して41Kをシンパシティック冷却し、その結果として40Kおよび6Liも量子デゲネレート状態に冷却された。
• 損失スペクトロスコピーを用いてフェシュバッハ共鳴を測定し、磁場を調整することでs波およびp波共鳴にアクセスする。
• 複数のヘテロ核フェシュバッハ共鳴（特に41K-40K間の広帯域s波共鳴）を観測した。
• 強い相互作用と質量不釣り合いの両方が、ボーズおよびフェルミ極小子効果が共存可能な状態へアクセス可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 41K、40K、6Liの三重にデゲネレートした量子混合系が、同一のトラップポテンシャルと効率的なシンパシティック冷却を有する1つのトラップ内に実現可能か？
• RQ2 41K-40K同位体混合系におけるフェシュバッハ共鳴の性質は何か？広帯域のs波共鳴を支持できるか？
• RQ3 強い質量不釣り合いの下で、この系の相互作用がボーズ極小子またはフェルミ極小子の形成をどの程度駆動するか？
• RQ4 軽いフェルミ海（6Li）と重いボーズ＝フェルミ混合系（41K-40K）が、極小子的準粒子の出現にどのように寄与するか？
• RQ5 この系を用いて、質量不釣り合いのフェルミおよびボーズ混合系におけるユニバーサル物理を探索可能か？

主な発見

• 41K（ボソン）、40K（フェルミオン）、6Li（フェルミオン）の三重にデゲネレートした量子混合系が、ほぼ同一のポテンシャルを持つ1つのトラップ内に成功裏に構築された。
• 41Kが40Kおよび6Liの両方を効率的に冷却することが判明し、フェルミオンの損失は無視できるほど小さく、量子デゲネレート混合系の形成が可能となった。
• 41Kと40Kの間には広帯域のs波フェシュバッハ共鳴が観測され、同位体のボーズ＝フェルミ混合系における強い調整可能な相互作用が実現された。
• 質量不釣り合いが顕著な状態において、極小子的状態にアクセス可能となった。この状態では、不純物がフェルミ海またはボーズ海によって「装着」されている。
• 複数のヘテロ核フェシュバッハ共鳴（強いp波共鳴および広帯域s波共鳴を含む）が同定され、多様な多体相にアクセス可能となった。
• 6Li-41K混合系においても、複数のフェシュバッハ共鳴で調整可能な相互作用が観測され、強相関量子物質の研究に向けた本系の多様性が拡張された。