[논문 리뷰] Optical Control of Exchange Interaction and Kondo Temperature in cold Atom Gas

Igor Kuzmenko, Tanya Kuzmenko외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 173Yb 원자를 사용한 초냉각 기체에서 레이저 강도를 조절하여 이주성 1S0 원자와 국소화된 3P0 원자 간의 교환 상호작용과 코니도 온도를 광학적으로 제어함을 보여준다. 레이저 강도가 증가함에 따라 교환 상호작용의 부호와 강도가 변화하여 페어마그네틱에서 반페어마그네틱으로 전이되며, 이는 단일 상태 페쉬바흐 공명 근처에서 코니도 효과를 유도하고 Kondo 온도가 급격히 상승함을 의미한다. 이는 산란 길이와 T_K의 분석적 및 수치적 계산을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

The relevance of magnetic impurity problems in cold atom systems depends crucially on the nature of exchange interaction between itinerant fermionic atoms and a localized impurity atom. In particular, Kondo physics occurs only if the exchange interaction is anti-ferromagnetic, and strong enough to yield high enough Kondo temperature ($T_K/T_F \ge 0.1$). Focusing, as an example, on the experimentally accessible system of ultra-cold $^{173}$Yb atoms, it is shown that the sign and strength of an exchange interaction between an itinerant Yb($^{1}$S$_{0}$) atom and a trapped Yb($^{3}$P$_{0}$) atom can be optically controlled. Explicitly, as the light intensity increases (from zero), the exchange interaction changes from ferromagnetic to anti-ferromagnetic. When the light intensity is just below a singlet Feshbach resonance, the singlet scattering length $a_S$ is large and negative, and the Kondo temperature increases sharply.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 173Yb 원자를 사용하여 양자 불순물 시스템에서 교환 상호작용을 광학적으로 조절하는 것을 목적으로 한다.
• 교환 상호작용이 반페어마그네틱으로 전이되는 조건을 규명함으로써 코니도 효과를 위한 필수 조건을 확보한다.
• 산란 길이 제어를 통해 레이저 강도에 따른 코니도 온도 T_K의 의존성을 계산하고 분석한다.
• 이전 문헌에서 레이저 필드 없이도 반페어마그네틱 교환 상호작용이 존재한다는 오류를 수정한다.
• 광학 제어를 통해 초냉각 기체에서 코니도 물리학과 관련된 이국적인 현상을 연구할 수 있는 실현 가능한 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 시스템은 스핀 F=5/2인 1S0(이주성) 및 3P0(국소화) 상태의 173Yb 원자를 사용하며, 이는 SU(6) 대칭 코니도 물리학을 가능하게 한다.
• 레이저 빔은 상태에 따라 다른 온도의 광학 포텐셜을 유도하여 3P0 원자를 포획하고, 1S0 원자는 얕은 정사각형 우물 내에서 디제너레이티드 페르미 기체를 형성한다.
• 교환 상호작용은 산란 행렬을 이용한 효과적 해밀토니안 형식으로 유도되며, 이는 단일 상태(a_S) 및 삼중 상태(a_T) 산란 길이로 표현된다.
• 레이저 강도를 조절함으로써 포텐셜 깊이 V_0를 변화시켜 광학적 페쉬바흐 공명 메커니즘을 통해 a_S와 a_T를 조절함으로써 교환 상호작용의 부호와 크기를 제어할 수 있다.
• 코니도 온도 T_K는 표준 코니도 모델을 사용하여 계산되며, T_K = D_0 exp(-1/(6 g_exch ρ(ε_F)))로 표현되며, 여기서 D_0 = 2ħΩ_e / k_B 이고, ρ(ε_F)는 페르미 에너지에서의 상태 밀도이다.
• 수치 결과는 연립 채널 슈뢰딩거 방정식에서 a_S(V_0)와 a_T(V_0)를 계산하여 도출되며, T_K는 a_T > a_S 인 영역에서 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 기체에서 이주성 및 국소화된 페르미온 원자 간의 교환 상호작용 부호를 광학적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 산란 길이를 조절할 수 있는 시스템에서 코니도 온도 T_K는 레이저 강도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 교환 상호작용이 페어마그네틱에서 반페어마그네틱으로 전이되어 코니도 효과를 유도하는 레이저 강도는 얼마인가?
• RQ4 특히 단일 상태 산란 길이가 -∞에 수렴할 때, 광학적 페쉬바흐 공명 근처에서 코니도 온도의 정량적 행동은 어떠한가?
• RQ5 광학 제어 메커니즘이 초냉각 173Yb 기체에서 SU(6) 대칭 코니도 물리학을 안정적이고 실험적으로 실현 가능한 길로 제공하는가?

주요 결과

• 레이저 강도(비례 상수 V_0)가 0에서 증가함에 따라 1S0 및 3P0 173Yb 원자 간의 교환 상호작용은 페어마그네틱에서 반페어마그네틱으로 전이된다.
• 이 전이 현상은 단일 상태 산란 길이 a_S가 삼중 상태 산란 길이 a_T보다 작아질 때 발생하며, 이는 단일 상태 페쉬바흐 공명 근처에서 발생한다.
• 시스템이 페쉬바흐 공명에 가까워질수록 a_S → -∞가 되면서 효과적 교환 결합이 발산하기 때문에 코니도 온도 T_K가 급격히 상승한다.
• ε_F / k_B = 100 nK 조건에서 T_K는 관측 가능한 코니도 물리학을 위해 요구되는 임계 조건 T_K / T_F ≥ 0.1를 크게 초월하는 값을 도달하며, 이는 효과의 실현 가능성과 일치한다.
• 코니도 효과가 존재하지 않는 영역(a_S > a_T, 그림 3의 빨간 영역)과 존재하는 영역(a_S < a_T, 파란 영역)을 분리하는 임계 포텐셜 V_c 가 존재한다.
• 이 연구는 이전 논문 [IK-TK-YA-GBJ-PRB-16]에서 레이저 필드 없이도 반페어마그네틱 교환 상호작용이 존재한다는 주장을 수정하며, 실제로는 광학 제어에 의해만 그러한 상호작용이 유도된다는 것을 입증한다.