[논문 리뷰] Observation and quantification of pseudogap in unitary Fermi gases

Xi Li, Shuai Wang외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 rf 스펙트로스코피에서 발생하는 최종 상태 효과를 제거한 운동량 해상도가 있는 마이크로파 스펙트로스코피를 사용하여, 6Li 원자로 이루어진 균일한 유니터리 Fermi 기체에서 쌍 변동에 의해 유도된 가짜 갭을 관측하고 정량화한다. 실험 결과, Tc 이상에서 큰, 온도에 의존하지 않는 가짜 갭이 관측되었으며, 역쌍 수명은 열적으로 활성화된 행동을 보이며 가상의 쌍 분해 및 재결합과 일치하고, 단일 입자 산란률은 플랑크 상수의 한계에 가까워져, 초유체성의 전구로 작용하는 형성된 쌍이 있음을 확인한다.

ABSTRACT

The nature of pseudogap lies at the heart of strongly-interacting superconductivity and superfluidity. With known pairing interactions, unitary Fermi gases provide an ideal testbed to verify whether a pseudogap can arise from many-body pairing. Here we report the observation of the long-sought pair-fluctuation-driven pseudogap in homogeneous unitary Fermi gases of lithium-6 atoms, by precisely measuring the spectral function through momentum-resolved microwave spectroscopy without the serious effects of final-state effect. We find a large pseudogap above the superfluid transition. The inverse pair lifetime exhibits a thermally-activated exponential behavior, uncovering the microscopic virtual pair breaking and recombination mechanism. The obtained large, T-independent single-particle scattering rate is comparable with that set by the Planckian limit. Our findings quantitatively characterize the pseudogap in strongly-interacting Fermi gases, highlighting the role of preformed pairing as a precursor to superfluidity.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관관계가 있는 Fermi 체계에서 가짜 갭 존재 여부에 대한 오랫동안 지속된 논쟁을 해결하기 위해.
• 유니터리 Fermi 기체에서의 가짜 갭이 강한 쌍 변동으로 인해 형성된 Cooper 쌍으로 인해 발생한다는 것을 실험적으로 검증하기 위해.
• 균일한 체계에서 쌍 갭 Δ(T), 역쌍 수명 Γ₀, 단일 입자 산란률 Γ₁의 정량적 측정을 제공하기 위해.
• 이전의 스펙트로스코픽 측정을 방해했던 실험적 오염인 최종 상태 효과 및 트랩의 비균일성을 제거하기 위해.
• 강한 상호작용을 하는 Fermi 기체 및 고Tc 초전도체의 다체 이론에 대한 기준을 설정하기 위해.

제안 방법

• 원통형 상자 트랩을 사용하여 조화 퍼텐셜에서 발생하는 공간적 비균일성을 제거하여, 6Li 원자로 이루어진 균일한 유니터리 Fermi 기체를 확보하였다.
• rf 스펙트로스코피에서 고통받는 최종 상태 상호작용을 피하기 위해 스펙트럼 함수 A(k,ω)를 탐측하기 위해 운동량 해상도가 있는 마이크로파 스펙트로스코피를 개발하였다.
• 초고정도 자기장 제어를 통해 고체 상태 간의 마이크로파 전이에서 초고에너지 해상도를 확보하였다.
• 측정된 스펙트럼 함수를 최소한의 피어미온 자기에너지 모델로 피팅: Σ(k,ω) = Δ² / (iħΓ₀ - iħΓ₁ + [ξ(k) - εk + μ]), 여기서 ξ(k) = ħ²k²/2m* + U - μ.
• 교차 검증을 위해 쿼아입자 분산 피팅과 에너지 분포 곡선(EDC) 분석을 통해 Δ(T), Γ₀(T), 및 Γ₁를 추출하였다.
• T ≈ 0.77Tc에서 1.51Tc까지의 체계적 온도 스윕을 수행하여 가짜 갭과 리아케이션률의 온도 의존적 행동을 맵핑하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 유니터리 Fermi 기체에서 쌍 변동에 의해 유도된 가짜 갭이 존재하며, 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 역쌍 수명 Γ₀의 미세한 기원은 무엇이며, 열적으로 활성화된 행동을 따르는가?
• RQ3 Tc 근처에서 단일 입자 산란률 Γ₁는 어떻게 행동하는가? 플랑크 상수의 한계에 가까워지는가?
• RQ4 스펙트럼 함수는 Tc 이상에서 두 개의 BCS 유사 쿼아입자 브랜치를 드러내는가? 이는 형성된 쌍의 존재를 시사하는가?
• RQ5 추출된 매개변수 Δ(T), Γ₀(T), 및 Γ₁는 다체 이론에 대해 어느 정도 정량적 기준이 되는가?

주요 결과

• Tc 이상에서 쌍 갭 Δ(1.11Tc) = 0.195(3)EF 가 관측되어, 1.51Tc까지 지속되는 큰 가짜 갭 창이 있음을 확인하였으며, 이는 상당한 가짜 갭 창이 있음을 시사한다.
• 역쌍 수명 Γ₀는 활성화 에너지 Ea = 2Δ₀인 열적으로 활성화된 지수적 의존성을 보이며, 여기서 Δ₀ = 0.39(8)EF로, 가상의 쌍 분해 및 재결합과 일치한다.
• Tc 근처에서 단일 입자 산란률 Γ₁ ≈ 0.3EF/ħ이며, 약 1.7배 플랑크 상수의 한계(kB T/ħ)에 가까워져, 유니터리 상호작용으로 인한 강한 산란을 시사한다.
• Γ₁는 Tc를 중심으로 온도에 대해 약한 의존성을 보이며, 쌍 형성에 크게 민감하지 않음을 시사하며, 유니터리 Fermi 기체에서 점성 있는 리아케이션률과 일치한다.
• 분산 피팅과 EDC 피팅을 통한 가짜 갭 추출 결과가 오차 범위 내에서 일치하여, 측정의 정량적 정확성과 강건성을 확인한다.
• Tc 이상에서 A(k,ω)에서 두 개의 BCS 유사 쿼아입자 브랜치가 관측되어, 초유체성의 전구로 작용하는 형성된 Cooper 쌍이 직접적으로 증명된다.