[논문 리뷰] Optical conductivity of a quantum gas

Rhys Anderson, Fudong Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 포획 포텐셜을 통해 주기적인 힘을 가하여 입자 수가 제한된 초냉각 페르미성 입자 양성자 기반의 큐빅 광학 격자에서의 광학 전도도를 측정한다. 선형 반응 이론과 비례 시간 근사법을 사용하여 교류 전도도와 운반 시간을 추출함으로써 냉각 원자 실험과 고체물리 전도도 측정 간의 직접적인 연관성을 확립한다.

ABSTRACT

We measure the conductivity of neutral fermions in a cubic lattice. A uniform force is applied at a single frequency by periodic displacement of the trapping potential, and the current response is observed though the global displacement of atoms. In the linear response regime, the steady-state ratio between current and force gives the ac conductivity. The tensor properties of the conductivity reveal temporal and spatial symmetries of the sample. Similarly to optical conductivity commonly measured in materials with reflectivity, exact sum rules relate dynamical measurements to thermodynamic properties. We explore the effect of lattice depth, temperature, interaction strength, and atom number on conductivity. Using a relaxation-time approximation, we extract the transport time of current. Our work enables a direct comparison between cold-atom experiments and conductivity studies of materials.

연구 동기 및 목표

• 큐빅 광학 격자 내 중성 페르미성 양자기체의 교류 광학 전도도를 측정하기 위해.
• 초냉각 원자를 이용해 고체 상태 물질의 광학 전도도 측정에 직접적인 실험적 유사체를 구축하기 위해.
• 격자 깊이, 온도, 상호작용 강도, 원자 수가 운반 성질에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 비례 시간 근사법을 통해 운반 시간을 추출하고 그와 동적 반응을 연결하기 위해.
• 전도도에 대한 정확한 합규칙과 텐서 대칭성을 검증하여 운동학적 거동을 열역학적 및 대칭성 성질과 연결하기 위해.

제안 방법

• 단일 주파수에서 광학 격자 포텐셜을 조절하여 양성자 기반의 양성자 기반의 균일한 시간 주기적 힘을 가한다.
• 시간 간격 측정 영상 기법을 사용해 전체 원자 전류를 측정하여 정 steady-state 전류 반응을 결정한다.
• 선형 반응 이론을 사용하여 전류와 적용된 힘의 비율에서 교류 전도도를 추출한다.
• 전도도의 텐서 구조를 분석하여 시스템의 시간적 및 공간적 대칭성을 추론한다.
• 비례 시간 근사를 사용하여 전류 감쇠를 모델링하고 운반 시간을 추출한다.
• 격자 깊이, 온도, 상호작용 강도, 원자 수를 체계적으로 변화시켜 전도도에 미치는 영향을 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큐빅 격자 내 중성 페르미성 양자기체의 광학 전도도는 고체 상태 물질과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 교류 전도도가 격자 깊이, 온도, 상호작용 강도, 원자 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전도도의 텐서 성분은 시스템의 기본 대칭성을 어떻게 반영하는가?
• RQ4 이 초냉각 원자 시스템에서 전도도에 대한 정확한 합규칙이 얼마나 유지되는가?
• RQ5 추출된 운반 시간은 무엇이며, 시스템 매개변수에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 측정된 교류 전도도는 선형 반응 이론과 일치하는 명확한 주파수 의존성 행동을 보였다.
• 전도도의 텐서 구조는 시스템의 시간 역전 대칭성과 공간 대칭성을 드러냈다.
• 초냉각 원자 시스템에서 광학 전도도에 대한 정확한 합규칙이 검증되었으며, 이는 운동학적 반응을 열역학적 성질과 연결시켰다.
• 비례 시간 근사를 통해 운반 시간이 추출되었고, 격자 깊이와 온도에 의존하는 것으로 나타났다.
• 상호작용 강도와 원자 수에 민감하게 반응하여, 높은 상호작용 강도에서 명백한 감소가 관측되었다.
• 실험 설정을 통해 냉각 원자 시스템과 기존 물질 간의 광학 전도도 연구에서 직접적인 정량적 비교가 가능해졌다.