[논문 리뷰] Observation of universal Kibble-Zurek scaling in an atomic Fermi superfluid

Kyu‐Hwan Lee, Sol Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Quantum, superfluid, helium dynamicsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초순수한 강한 상호작용을 갖는 초냉각 페르미 가스에서 초유체 전이를 통과하는 동안 온도 또는 상호작용 강도를 급격히 변화시킴으로써 일반적인 Kibble-Zurek 스케일링을 관찰한다. 매우 다른 응축체 형성 시간 스케일에도 불구하고, 두 급격한 변화 프로토콜 모두 동일한 Kibble-Zurek 지수 0.68(2)를 도출하여 척도 불변성에 의해 지배되는 일반적인 임계 역학을 확인하고, 초유체에 대한 Zurek의 상상 실험을 검증한다.

ABSTRACT

Half a century ago, T. Kibble proposed a scenario for topological defect formation from symmetry breaking during the expansion of the early Universe. W. Zurek later crystallized the concept to superfluid helium, predicting a power-law relation between the number of quantum vortices and the rate at which the system passes through the lambda transition. Here, we report the observation of Kibble-Zurek scaling in a homogeneous, strongly interacting Fermi gas undergoing a superfluid phase transition. We investigate the superfluid transition using two distinct control parameters: temperature and interaction strength. The microscopic physics of condensate formation is markedly different for the two quench parameters, signaled by their two orders of magnitude difference in the condensate formation timescale. However, regardless of the thermodynamic direction in which the system passes through a phase transition, the Kibble-Zurek exponent is identically observed to be about 0.68 and shows good agreement with theoretical predictions that describe superfluid phase transitions. This work demonstrates the gedanken experiment Zurek proposed for liquid helium that shares the same universality class with strongly interacting Fermi gases.

연구 동기 및 목표

• 균일하고 강한 상호작용을 갖는 페르미 가스를 이용하여 초유체 전이에서 Kibble-Zurek 스케일링의 보편성을 테스트한다.
• 온도와 상호작용 강도라는 서로 다른 급격한 변화 매개변수들이 서로 다른 미세 구조 역학을 가질 때에도 동일한 Kibble-Zurek 지수를 도출하는지 조사한다.
• 장수명의 리커일렉션 시간을 갖는 시스템에서 결함 밀도와 급격한 변화 시간 사이의 예측된 거듭제곱 법칙 스케일링을 실험적으로 관측할 수 있는지 확인한다.
• 조절 가능한 초냉각 원자 시스템에서 액체 4He에 대한 Zurek의 상상 실험을 실현한다.
• 비평형 양자 상전이에서 척도 불변성과 임계 지수의 역할을 탐구한다.

제안 방법

• 온도와 상호작용 강도를 제어 매개변수로 사용하여 초유체 전이를 통과하는 시스템을 급격히 변화시킨다.
• 자기적 Feshbach 공명을 활용하여 단위 페르미 가스에서 상호작용 강도를 빠르고 정밀하게 조절한다.
• 시간에 따른 비행 영상 측정을 통해 양자 비틀림의 평균 수를 측정하여 비틀림 핵을 탐지한다.
• 비틀림 수와 급격한 변화 시간의 관계를 거듭제곱 법칙에 맞춰 피팅하여 Kibble-Zurek 지수를 추출한다.
• 비틀림 수가 10이 되는 순간인 포화 시간 $ t_{\text{sat}} $를 사용하여 급격한 변화 시간을 정규화하여 다양한 급격한 변화 프로토콜 간의 데이터를 통합한다.
• 다양한 급격한 변화 조건에서 순서 매개변수 형성 시간 스케일을 비교하기 위해 응축체 비율을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 초유체 전이를 일으키는 서로 다른 제어 매개변수(온도 대비 상호작용 강도)를 사용할 때 Kibble-Zurek 스케일링 지수가 보편적인가?
• RQ2 온도 급격한 변화와 상호작용 급격한 변화 프로토콜 간의 응축체 형성 미세 역학은 어떻게 다를까?
• RQ3 균일하고 강한 상호작용을 갖는 페르미 가스에서 비틀림 수와 급격한 변화 시간 사이의 예측된 거듭제곱 법칙 스케일링을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ4 초냉각 기체 실험에서 흔히 발생하는 유한한 크기 효과와 비균일성은 일반적인 KZ 스케일링 관측에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 Kibble-Zurek 지수는 초유체 전이의 임계 지수 $ \nu $ 와 $ z $ 를 바탕으로 한 이론 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 온도 급격한 변화와 상호작용 급격한 변화 프로토콜 모두에서 Kibble-Zurek 지수는 $ \alpha_{\text{KZ}} = 0.68(2) $ 로 측정되어 보편성이 확인되었다.
• 응축체 형성 시간 스케일에 두 배수의 차이가 있었음에도 불구하고 동일한 KZ 지수를 관측하여 보편적인 임계 역학의 강건성을 입증하였다.
• 결함 포화 수준이 $ N_{\text{v}} \sim 10 $ 에서 관측되었으며, 이는 두 급격한 변화 유형 간에 일관되며, 결함 밀도의 보편적 한계를 나타낸다.
• 급격한 변화 시간의 수십 개의 온도 범위에서 비틀림 수의 거듭제곱 법칙 스케일링이 확인되었으며, $ t_{\text{sat}} $ 를 사용한 정규화 후 뛰어난 데이터 수렴이 이루어졌다.
• 온도 급격한 변화에서는 0.3초 이내에 응축체 비율이 0.4 이하로 떨어졌지만, 상호작용 급격한 변화에서는 2ms 이하의 급격한 변화 시간에서만 그러한 현상이 관측되어 형성 역학의 상이함을 드러냈다.
• 결과는 장수명의 충돌 시간을 갖는 조절 가능한 초냉각 페르미 가스 시스템에서 액체 $^4$He에 대한 Zurek의 이론적 상상 실험을 검증한다.