[논문 리뷰] Optomechanical Response of a Strongly Interacting Fermi Gas

Victor Helson, Timo Zwettler외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 04.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 36인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고선명도 광학 공진기와 강하게 상호작용하는 초냉각 페르미 가스를 결합하여 강한 광기계적 킬러 비선형성을 입증한다. 이 비선형성은 가스의 밀도 반응이 공진기 장에 의해 유도됨을 의미한다. 영주기 밀도 반응 함수는 바디언-쿠퍼-슈리페어(BCS)에서 보즈-아인슈타인 응축(BEC) 영역으로 넘어가면서 두 배로 증가하며, 이는 반응을 보편적 열역학적 양인 접촉과 내부 에너지와 연결하는 연산자 곱 전개(OPE)를 통해 정량적으로 설명된다.

ABSTRACT

We study a Fermi gas with strong, tunable interactions dispersively coupled to a high-finesse cavity. Upon probing the system along the cavity axis, we observe a strong optomechanical Kerr nonlinearity originating from the density response of the gas to the intracavity field and measure it as a function of interaction strength. We find that the zero-frequency density response function of the Fermi gas increases by a factor of two from the Bardeen-Cooper-Schrieffer to the Bose-Einstein condensate regime. The results are in quantitative agreement with a theory based on operator-product expansion, expressing the density response in terms of universal functions of the interactions, the contact and the internal energy of the gas. This provides an example of a driven-dissipative, strongly correlated system with a strong nonlinear response, opening up perspectives for the sensing of weak perturbations or inducing long-range interactions in Fermi gases.

연구 동기 및 목표

• 고선명도 공진기 내에서 강하게 상호작용하는 페르미 가스의 광기계적 반응을 탐구한다.
• 가스의 밀도 반응에 기인한 광기계적 킬러 비선형성의 상호작용 강도 의존성을 측정한다.
• 비선형 반응이 접촉과 내부 에너지와 같은 보편적 다체 매개변수로 기술될 수 있는지 테스트한다.
• 강한 상관관계를 가진 비평형 및 에너지 손실이 있는 양자 시스템과 보편적 반응 함수 사이의 연결 고리를 설정한다.

제안 방법

• 정적 파동장에 의해 페르미 가스와 고선명도 광학 공진기 사이의 분산 결합을 구현하며, 공진기 모드가 집합적 밀도 반응을 탐지한다.
• 약한 프로브 레이저를 사용하여 공진기 투과 스펙트럼을 측정하고, 고내부 전력에서 관찰되는 비대칭 라인셰이프를 통해 킬러 비선형성을 확인한다.
• 프로브 전력에 따른 공진기 공진 주파수 이동을 측정하여 효과적 비선형성을 추출한다.
• 정적 밀도 반응 함수를 보편적 열역학적 양인 접촉과 내부 에너지로 표현하기 위해 연산자 곱 전개(OPE)를 적용한다.
• 실험 데이터를 OPE 기반 이론 예측과 비교하여 비선형 반응의 정량적 기술이 타당한지 검증한다.
• 피셔 레이저 공명을 이용해 BCS-BEC 전이 영역 전체에 걸쳐 상호작용 강도를 조절하여 반응의 상호작용 의존성을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 상호작용하는 페르미 가스의 광기계적 킬러 비선형성은 BCS-BEC 전이 영역에서 상호작용 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 페르미 가스의 비선형 반응은 접촉과 내부 에너지와 같은 보편적 다체 매개변수로 정량적으로 기술될 수 있는가?
• RQ3 강하게 상호작용하는 영역에서 페르미 가스의 영주기 밀도 반응 함수는 보편적 스케일링 행동을 보이는가?
• RQ4 강한 상관관계와 피드백이 존재하는 상황에서도, 시스템의 비평형 및 비가역적 비선형 반응이 몇 가지 보편적 매개변수에 의해 여전히 지배되는가?

주요 결과

• 강하게 상호작용하는 페르미 가스의 영주기 밀도 반응 함수는 바디언-쿠퍼-슈리페어(BCS)에서 보즈-아인슈타인 응축(BEC) 영역으로 넘어가면서 두 배로 증가한다.
• 측정된 광기계적 킬러 비선형성은 정적 밀도 반응 함수의 연산자 곱 전개(OPE) 기반 이론 예측과 정량적으로 일치한다.
• OPE 기반 이론은 접촉과 가스의 내부 에너지라는 두 가지 보편적 열역학적 양만을 사용하여 비선형 반응을 성공적으로 기술한다.
• 관측된 비선형성은 BCS-BEC 전이 영역 전체에 걸쳐 강건하게 유지되며, 강한 상관관계 영역에서의 보편적 행동을 시사한다.
• 결과는 비평형 및 에너지 손실이 있는 강한 상관관계를 가진 양자 시스템이 강한 피드백 조건에서도 소수의 보편적 매개변수로 효과적으로 기술될 수 있음을 보여준다.
• 실험적 시스템은 광기계 결합을 통해 초냉각 페르미 가스에서 약한 외란을 감지하거나 장거리 상호작용을 유도하는 플랫폼으로 활용될 수 있다.