[논문 리뷰] $η$ Pairing of Light-Emitting Fermions: Nonequilibrium Pairing Mechanism at High Temperatures

Masaya Nakagawa, Naoto Tsuji외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 25.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 페르미온 원자에서 자발적 광자 방출을 통한 비평형 상태에서 $η$-결합을 제안하며, 파울리 금지 원리와 간섭 최소화가 페르미온 쌍의 붕괴를 방지한다. 놀랍게도, 비평형 상태에서 무한한 온도 초깃값에서도 응집된 $η$-쌍 상태가 형성되며, 열적 평형이 아닌 소산 동역학에 의해 고온 초유체 상태가 안정화된다.

ABSTRACT

Strongly interacting fermionic atoms are shown to develop $η$-pairing superfluid correlations in a nonequilibrium steady state in the presence of spontaneous emission of light from atoms. On the basis of the Hubbard model subject to spontaneous decay between internal spin states, we show that prohibition of radiative decay due to the Pauli exclusion principle and destructive interference between doublon-decay processes lead to nonequilibrium $η$ pairing. Because of the non-thermal nature of the steady state, pair correlations arise even from a completely uncorrelated infinite-temperature initial state, allowing coherent atom pairs to be formed at high temperatures. Experimental implementation with fermionic atoms in an optical lattice is discussed.

연구 동기 및 목표

• 페르미온 원자에서 자발적 광자 방출에 의해 유도되는 비평형 정상 상태에서 $η$-결합 초유체 상태가 안정화될 수 있음을 보여주기.
• 복사 과정이 존재하는 상황에서 이중자 쌍의 붕괴를 방지하는 이중 보호 메커니즘—파울리 금지 원리와 간섭 최소화—를 규명하기.
• 비상관성, 무한한 온도 초깃값에서도 응집된 $η$-쌍 상태가 형성될 수 있음을 보여주며, 기존의 BCS 유형의 쌍성립 메커니즘을 뛰어넘기.
• 광학 격자에서 알칼리-earth 유사 페르미온 원자를 사용한 실현 가능한 실험적 구현을 제안하며, 운동량 분포 측정을 통한 검출 가능 서명을 제공하기.

제안 방법

• 페르미-허브라드 시스템에서 스핀 업 상태에서 스핀 다운 상태로의 자발적 방출을 모델링하기 위해 비에르미트 리드블라드 연산자를 포함한 일반화된 양자 마스터 방정식을 사용한다.
• 붕괴가 자극 상태를 통해 매개되는 람다형 원자 준위 구조를 모델에 통합하여, 공명 결합과 광자 방출을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 현장 내 이중자 쌍이 파울리 금지 원리로 인해 붕괴를 방지하며, 점유된 위치에서의 단일 입자 방출을 막는다고 보여준다.
• 이중자 쌍의 붕괴를 유도하는 경로들 간의 간섭 최소화가 그들의 분리 확률을 감소시켜, $η$-결합 상태가 정상 상태로 안정화됨을 보여준다.
• 양자 궤적 방법을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 마스터 방정식을 해결하고, 쌍 상관관계, 이중자 밀도, 운동량 분포의 시간에 따른 변화를 추적한다.
• 소산 동역학 하에서 $η$-결합 형성 여부를 탐색하기 위해 이중자 밀도 파동 상태로 시스템을 초기화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미-허브라드 시스템에서 자발적 광자 방출에 의해 유도되는 비평형 정상 상태에서 $η$-결합 초유체 상태가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 소산이 존재하는 상황에서 $η$-쌍 상태가 복사 붕괴로부터 보호받는 양자 many-body 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 소산에 의한 엔트로피 감소로 인해 비평형 상태에서 무한한 온도 초깃값에서도 응집된 $η$-결합이 형성될 수 있는가?
• RQ4 상관관계를 파괴할 수 있는 위상 분산 과정에 대해 $η$-결합 형성이 얼마나 견고한가?
• RQ5 초냉각 원자 시스템에서 $η$-결합을 검출하기 위한 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 자발적 방출에 의한 엔트로피 감소로 인해, 무한한 온도 초깃값에서 시작하더라도 $η$-결합 상태가 비평형 정상 상태로 나타난다.
• 파울리 금지 원리로 인해 현장 내 이중자 쌍이 붕괴를 방지하여 복사 붕괴에 대한 첫 번째 보호층을 제공한다.
• 이중자 붕괴 경로들 간의 완전한 간섭 최소화가 쌍 분리를 방지하여, $η$-쌍 상태의 장수된 응집성을 보장한다.
• 상호작용 강도 $U$와 자발적 방출률 $γ$의 넓은 범위에서 쌍 상관관계가 견고하게 유지되며, 넓은 매개변수 안정성을 보여준다.
• 위상 분산 과정의 속도가 $\gamma_d$일 경우, 쌍 상관관계는 시간 상수 $1/\gamma_d$의 스케일에서 감소하지만, $\gamma_d \ll \gamma, t$일 경우 $η$-결합은 여전히 관측 가능하다.
• 운동량 분포 측정에서 $k = \pm\pi$에서 명확한 피크가 나타나며, 중간 수준의 위상 분산이 존재하는 상황에서도 $η$-결합 형성의 검출 가능한 서명으로 기능한다.