[論文レビュー] Transition from a polaronic condensate to a degenerate Fermi gas of heteronuclear molecules

Marcel Duda, Xing-Yan Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、密度が一致するボーズ＝フェルミ混合系において、ポラロニック凝縮状態からヘテロ核NaK分子の縮重フェルミガスへの量子相転移を実証した。損失を抑制するための新規な密度拡張技術を用いて、凝縮状態の秩序パラメータの相互作用駆動による減少と、2.7デバイの大きな双極子モーメントを持つ縮重分子フェルミガスの出現を観測した。

ABSTRACT

The interplay of quantum statistics and interactions in atomic Bose--Fermi mixtures leads to a phase diagram markedly different from pure fermionic or bosonic systems. However, investigating this phase diagram remains challenging when bosons condense. Here, we observe evidence for a quantum phase transition from a polaronic to a molecular phase in a density-matched degenerate Bose--Fermi mixture. The condensate fraction, representing the order parameter of the transition, is depleted by interactions and the build-up of strong correlations results in the emergence of a molecular Fermi gas. By driving through the transition, we ultimately produce a quantum-degenerate sample of sodium-potassium molecules exhibiting a large molecule-frame dipole moment of 2.7 Debye. The observed phase transition represents a new phenomenon complementary to the paradigmatic BEC-BCS crossover observed in Fermi systems.

研究の動機と目的

• 粒子密度が一致する縮重ボーズ＝フェルミ混合系における量子相転移を調査すること。
• 二重縮重系における強化された二体損失が、縮重ヘテロ核分子の形成を妨えるという挑戦に立ち向かうこと。
• ボソンとフェルミオンが互いにドレッシングする状態において、ポラロニクス相関と分子対応の相乗的相互作用を解明すること。
• 標準的なBEC-BCSギャップクロスオーバーとは異なる、分子フェルミガスの形成を含む新しい量子相転移を実験的に実現・特徴づけること。

提案手法

• ボーズ＝アインシュタイン凝縮のピーク密度を低減するための密度拡張技術を採用し、分子結合過程中の二体損失プロセスを抑制した。
• 23Naと40K原子の空間的分布を個別に制御するため、物質依存の785-nmダイポールトラップと、遠い周波数の1550/1064-nmトラップを用いた。
• 23Naと40K間のs波散乱長を磁場制御により連続的に調整できるフェシュバッハ共鳴を用いて、相互作用強度を調整した。
• 遷移の秩序パラメータとして凝縮分率を測定し、引力的相互作用の増大に伴うその減少を追跡した。
• 飛行時間イメージングとフェルミ＝ディラック分布のフィッティングを用いて、温度と局所密度を抽出し、縮重フェルミガスのパラメータを古典的ガス近似で推定した。
• 温度依存の損失係数を有する密度依存二体損失方程式を用いて分子損失をモデル化し、データにフィットさせて損失パラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度が一致するボーズ＝フェルミ混合系において、ポラロニック凝縮状態から分子フェルミガスへの量子相転移はどのように現れるか？
• RQ2 縮重ボソンとフェルミオンの相互ドレッシングが、標準的なフェルミ・ポラロニクス像を越えて相転移を駆動する役割を果たすか？
• RQ3 高密度混合系における強い二体損失にもかかわらず、縮重分子フェルミガスの形成は達成可能か？
• RQ4 対称的密度状態において、ポラロニクスから分子への相転移が起こる臨界相互作用強度は何か？
• RQ5 縮重状態において、分子損失率は温度および密度にどのように依存するか？

主な発見

• 引力的相互作用の増大に伴い、ポラロニック凝縮状態の秩序パラメータが減少し、分子相への量子相転移を示唆する。
• 相互ドレッシングに起因する強い相関が、23Na-40K分子の縮重フェルミガスの形成を駆動している。
• 2.7デバイの大きな双極子モーメントを持つNaK分子の縮重サンプルを成功裏に生成した。
• 基底状態NaK分子の二体損失係数は $ b_{\text{GS}} = 4.8(6) \times 10^{-11} \, \text{cm}^3/\mu\text{K} \cdot \text{s} $ と測定され、密度拡張技術による損失抑制が確認された。
• フェシュバッハ分子の損失係数は $ b_{\text{FB}} = 3.8(5) \times 10^{-12} \, \text{cm}^3/\mu\text{K} \cdot \text{s} $ と測定され、損失低減戦略の有効性が裏付けられた。
• 臨界逆散乱長 $ (k_F a_{BF})^{-1} $ は理論予測と整合的であり、$ n_B/n_F = 1 $ の理想ボソン状態において約2.02の値を示した。