[論文レビュー] Two-Element Mixture of Bose and Fermi Superfluids

Richard Roy, Alaina Green+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

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

ひとこと要約

本論文は、ボソン的174Ybとフェルミオン的6Li原子を用いた安定な二成分ボーズ＝フェルミ混合超流動体の初回実現を報告している。ボソン的成分における測定可能なダイポール振動周波数シフトを通じて、弾性結合が示され、観測されたシフトは正の相互作用散乱長を確認し、スカイサーズモードを介した角運動量移動の検出を可能にした。これは超流動流体力学モデルによって裏付けられている。

ABSTRACT

We report on the production of a stable mixture of bosonic and fermionic superfluids composed of the elements $^{174}$Yb and $^6$Li which feature a strong mismatch in mass and distinct electronic properties. We demonstrate elastic coupling between the superfluids by observing the shift in dipole oscillation frequency of the bosonic component due to the presence of the fermions. The measured magnitude of the shift is consistent with a mean-field model and its direction determines the previously unknown sign of the interspecies scattering length to be positive. We also observe the exchange of angular momentum between the superfluids from the excitation of a scissors mode in the bosonic component through interspecies interactions. We explain this observation using an analytical model based on superfluid hydrodynamics.

研究の動機と目的

• 質量比が大きなボソン的174Ybとフェルミオン的6Li原子の安定で量子縮退した混合系を構築すること。
• ダイポールモード周波数シフトを通じて、超流動成分間の弾性結合を調べること。
• ボソン的成分におけるスカイサーズモードの励起を通じて、ボーズとフェルミの超流動体間の角運動量交換を検出すること。
• 平均場理論と実験的周波数シフトを用いて、相互作用散乱長の符号を特定すること。
• 二成分超低温原子系における超流動流体力学理論モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 両成分の効率的な蒸発冷却を実現するため、動的に形状を変更可能な1064 nmの光的ダイポールトラップを用いた。
• 174Ybの同時強制的蒸発冷却と、330 Gでの6Liの共役冷却を実施し、量子縮退状態を達成した。
• 磁場勾配を用いて6Liのトラップ深さを低下させ、174YbのBECと空間的重ね合わせを誘導した。
• ラジオ周波数パulsesを用いて、832 GでFeshbach共鳴に調整された、6Liのスピン状態50:50混合状態を準備した。
• 相対的な雲中心のずれを関数として、174Yb成分におけるダイポール振動周波数シフトを測定した。
• 174Yb凝縮体にスカイサーズモードを励起し、超流動流体力学方程式を用いて角運動量移動を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボーズ＝フェルミ超流動体において、174Ybと6Li間の相互作用散乱長の符号は何か？
• RQ2 フェルミオン的超流動体との結合が、ボソン的超流動体のダイポール振動周波数にどのように影響するか？
• RQ3 ボーズとフェルミの超流動体間で、相互作用を通じて角運動量を移動させることは可能か？
• RQ4 二成分雲の空間的ずれが、ダイポールモードにおける平均場周波数シフトにどのように影響するか？
• RQ5 フェルミガス密度プロファイルの曲率が、相互作用に起因する周波数シフトにどの程度寄与するか？

主な発見

• 174Yb成分における測定されたダイポール周波数シフトは、平均場モデルと整合しており、相互作用散乱長が正であることを確認した。
• 雲中心が6Li雲半径の44%ずれると、周波数シフト測定に10%の系統的誤差が生じる可能性がある。
• 水平方向のずれが大きくなるに従い、周波数シフトは減少し、フェルミ雲における半径方向ずれに対して平方根的依存性を示した。
• ユニタリティ（$1/k_F a_F = 0$）において、ピーク周波数シフトは $k_F a_{BF}$ に比例し、質量比および感受性に依存する係数を持つ。
• 174Yb成分におけるスカイサーズモード励起は、時間的に変化する角運動量変形によって駆動され、測定可能な角運動量移動を引き起こした。
• 超流動流体力学に基づく理論的モデリングは、観測された角運動量移動および周波数シフトダイナミクスを成功裏に説明した。