[논문 리뷰] Imprinting persistent currents in tunable fermionic rings

Giulia Del Pace, Klejdja Xhani외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 13.

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한 줄 요약

이 논문은 BCS-BEC 코어퍼처 전역에서 조절 가능한 페르미성 고온 링에서 양자화된 영구 전류를 빠르고 보편적인 위상 인젝션을 통해 실현하고 제어함으로써, w = 9에 이르는 수요에 맞는 순환을 달성한다. 간섭계적 읽기 및 비틀림 방출의 직접 영상 촬영을 통해 초유체가 샘플 수명 동안 메타안정 상태를 유지하는 것으로 밝혀졌으며, 강한 상호작용으로 인해 유니타리 조건에서 임계 순환 w_c가 최대가 되어 상호작용 강도가 초유체 안정성에 미치는 영향을 확인한다.

ABSTRACT

Persistent currents in annular geometries have played an important role in disclosing the quantum phase coherence of superconductors and mesoscopic electronic systems. Ultracold atomic gases in multiply connected traps also exhibit long-lived supercurrents, and have attracted much interest both for fundamental studies of superfluid dynamics and as prototypes for atomtronic circuits. Here, we report on the realization of supercurrents in homogeneous, tunable fermionic rings. We gain exquisite, rapid control over quantized persistent currents in all regimes of the BCS-BEC crossover through a universal phase-imprinting technique, attaining on-demand circulations $w$ as high as 9. High-fidelity read-out of the superfluid circulation state is achieved by exploiting an interferometric protocol, which also yields local information about the superfluid phase around the ring. In the absence of externally introduced perturbations, we find the induced metastable supercurrents to be as long-lived as the atomic sample. Conversely, we trigger and inspect the supercurrent decay by inserting a single small obstacle within the ring. For circulations higher than a critical value, the quantized current is observed to dissipate via the emission of vortices, i.e., quantized phase slips, which we directly image, in good agreement with numerical simulations. The critical circulation at which the superflow becomes unstable is found to depend starkly on the interaction strength, taking its maximum value for the unitary Fermi gas. Our results demonstrate fast and accurate control of quantized collective excitations in a macroscopic quantum system, and establish strongly interacting fermionic superfluids as excellent candidates for atomtronic applications.

연구 동기 및 목표

• BCS-BEC 코어퍼처 전역에서 초냉각 페르미성 고온 링에서 양자화된 영구 전류를 정밀하고 수요에 맞게 제어하는 것.
• 외부 교란 없이 장수한 메타안정 초유체를 얻기 위해 위상적 보호를 활용하는 것.
• 단일 결함을 삽입하여 비틀림 방출 동역학을 관측함으로써 초유체 안정성을 조사하는 것.
• 특히 유니타리 조건에서 상호작용 강도가 초유체가 불안정해지는 임계 순환 w_c에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 강한 상호작용을 갖는 페르미성 초유체가 원자트로닉스 응용 분야에서 견고한 후보가 될 수 있음을 확립하는 것.

제안 방법

• 조절 가능한 페르미성 링에서 초유체 순환 상태 w를 빠르고 정밀하게 설정하기 위해 보편적인 위상 인젝션 기술을 사용한다.
• 간섭계적 프로토콜을 통해 순환 상태를 고정밀도로 읽고 링 주변의 국소 위상 정보를 제공한다.
• 비틀림 핵형성과 초유체 붕괴를 연구하기 위해 링에 단일의 작은 가우시안형 결함을 삽입한다.
• 경계 조건이 하드월 링 퍼텐셜이고 다항근 근사법을 적용한 거시적 피타에브스키 방정식을 기반으로 한 수치 시뮬레이션을 통해 상호작용 영역 전역에서 시스템을 모델링한다.
• 화학적 포텐셜 μ와 페르미 에너지 E_F는 다항근 근사법 μ ∝ n^γ를 사용하여 계산되며, γ = 1 (BEC), 2/3 (BCS), 그리고 유니타리 조건에서는 γ = 2/3 × ξ로 설정되며, Luttinger-Ward 결과와 일치한다.
• 음속은 c_s = √(γμ/m)로 계산되며, BEC 및 유니타리 영역에서는 M = 2m를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미성 링에서 BCS-BEC 코어퍼처 전역에서 고정밀도 및 고속 제어를 통해 영구 전류를 인젝션할 수 있는가?
• RQ2 외부 교란 없이 메타안정 초유체의 수명은 얼마나 되는가?
• RQ3 페르미성 초유체에서 비틀림 방출이 발생하는 임계 순환 w_c는 상호작용 강도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 Bertsch 매개수 ξ는 유니타리 조건에서 초유체 성질을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 비틀림 방출 동역학을 직접 영상 촬영하고 수치 시뮬레이션과 정량적으로 비교할 수 있는가?

주요 결과

• w의 감도 수준까지 9에 이르는 영구 전류가 보편적인 위상 인젝션 기술을 통해 성공적으로 인젝션되고 안정화되었다.
• 외부 교란 없이도 초유체는 원자 샘플 수명 동안 장수했으며, 이는 위상적 보호를 시사한다.
• 비틀림 방출이 발생하는 임계 순환 w_c는 페르미성 초유체의 유니타리 상태에서 최대가 되었으며, 이는 초유체 불안정성의 강한 억제를 나타낸다.
• 비틀림 방출이 직접 영상 촬영되었으며, 방출된 비틀림의 수와 핵형성 시점이 수치 시뮬레이션과 일치하였다.
• 유니타리 조건에서는 γ = 2/3 × ξ, BCS 근처에서는 γ = 2/3를 사용한 다항근 근사법이 μ 및 E_F를 영역 전역에서 정확히 재현하였다.
• 간섭계적 읽기 프로토콜을 통해 순환과 국소 위상의 양자화된 특성을 확인할 수 있는 고정밀도 측정이 가능했으며, 초유체 상태의 양자화된 성격을 확인하였다.