[논문 리뷰] Probing molecular spectral functions and unconventional pairing using Raman spectroscopy

Oriana K. Diessel, Jonas von Milczewski외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 페르미 가스에서 양자 불순물이 배경 페르미온과 결합하여 형성된 복합 준입자인 모랄론의 운동량 해상도 스펙트럼 함수를 직접 조사하기 위한 라만 분광법 프로토콜을 제안한다. 초강력 결합 한계에서 시스템을 초기화하고 가변 가능한 라만 전이를 사용함으로써, 이론적으로 예측된 바와 같이 로튼-유사 최소값을 포함한 모랄론 분산의 첫 번째 실험적 관측이 가능해진다. 이는 아직 관측되지 않은 푸르데-페럴-라르킨-옵친니코프(FFLO) 상의 전구로 기능한다.

ABSTRACT

An impurity interacting with an ultracold Fermi gas can form either a polaron state or a dressed molecular state in which the impurity forms a bound state with one gas particle. This molecular state features rich physics, including a first-order transition to the polaron state and a negative effective mass at small interactions. However, these features have remained so far experimentally inaccessible. In this work we show theoretically how the molecular state can be directly prepared experimentally even in its excited state using state-of-the-art cold atom Raman spectroscopy techniques. Initializing the system in the ultra-strong coupling limit, where the binding energy of the molaron is much larger than the Fermi energy, our protocol maps out the momentum-dependent spectral function of the molecule. Using a diagrammatic approach we furthermore show that the molecular spectral function serves as a direct precursor of the elusive Fulde-Ferell-Larkin-Ovchinnikov phase, which is realized for a finite density of fermionic impurity particles. Our results pave the way to a systematic understanding of how composite particles form in quantum many-body environments and provide a basis to develop new schemes for the observation of exotic phases of quantum many-body systems.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 페르미 가스 시스템에서 모랄론의 운동량 의존 스펙트럼 함수를 직접 측정할 수 있는 분광법을 개발하는 것.
• 터널링이나 전자 전이와 같은 단일 입자 측정 수단의 한계로 인해 오랫동안 접근이 어려웠던 복합 준입자인 모랄론을 조사하는 데 있어 실험적 과제를 극복하는 것.
• 모랄론의 유한 운동량 자극 스펙트럼과 유한 불순자 밀도에서 나타나는 비정상적인 FFLO 초전도 상의 기원 사이의 직접적인 연결 고리를 확립하는 것.
• 동일한 상호작용 강도에서 폴라론과 모랄론 분지의 동시 관측을 가능하게 하여 이들의 전이가 1차 전이임을 검증하는 것.
• 이 방법을 보스 폴라론과 같은 다른 복합 준입자로 확장하고, 페르미 수면 재구성 및 토폴로지적 순서와 같은 특이한 다체 상의 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• 초기 준비된 깊이 결합된 분자 상태를 다체 연속체와 연결하기 위해 가변 가능한 레이저 운동량 $\mathbf{q}_L$ 를 사용하는 라만 주입 분광법을 활용한다.
• 모랄론의 다체 빌드업이 거의 없는 상태를 확보하기 위해, 분자 결합 에너지 $\epsilon_{B,in} \gg \epsilon_F$ 가 되는 초강력 결합 한계에서 시스템을 초기화한다.
• 도표적 재합성 접근법을 사용하여 라만 반응 함수 $\mathcal{R}(\omega, \mathbf{q}_L)$ 를 유도하며, 이는 모랄론 그린 함수 $G^R_{\text{mol}}(\mathbf{q}_L, \omega)$ 와 직접적으로 대응됨을 보여준다.
• 라만 스펙트럼은 $\mathcal{R}(\omega, \mathbf{q}_L) = -\frac{1}{\pi} \text{Im} \left[ f^{\mathbf{q}_L}(\omega) G^R_{\text{mol}}(\mathbf{q}_L, \omega) \right] + \text{연속체 기여항}$ 으로 표현되며, $f^{\mathbf{q}_L}$ 는 구조 인자이고 두 번째 항은 개방 채널 과정을 나타낸다.
• 좁은 페시바 공명의 경우, 라만 스펙트럼은 정확히 분자 스펙트럼 함수 $\mathcal{A}_{\text{mol}}$ 와 일치하여 모랄론 분산과 수명을 직접 측정할 수 있다.
• 좁은 공명이 아닌 넓은 공명의 경우에도, 라만 스펙트럼은 모랄론 스펙트럼 함수의 정성적 특징을 유지하며, 유일하게 스펙트럼 무게 재분배가 발생할 뿐이다. 특히, 모랄론 분산의 유한 운동량 최소값은 FFLO 상의 전구로 작용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라만 분광법을 사용하여 초냉각 페르미 가스에서 모랄론의 운동량 해상도 스펙트럼 함수를 직접 조사할 수 있는가?
• RQ2 라만 반응은 모랄론 그린 함수와 어떻게 관련되어 있으며, 이를 통해 어떤 스펙트럼 특징을 추출할 수 있는가?
• RQ3 모랄론 분산은 로튼-유사 최소값을 보이며, 이는 FFLO 상의 기원에 있어 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 이 프로토콜은 동일한 상호작용 강도에서 폴라론과 모랄론 분지를 동시에 해상할 수 있는가? 이를 통해 이들의 전이가 1차 전이임을 검증할 수 있는가?
• RQ5 넓은 페시바 공명 조건 하에서, 라만 반응은 모랄론의 효과 질량과 수명에 대해 얼마나 민감하게 반응하는가?

주요 결과

• 가변 가능한 레이저 운동량을 통한 라만 분광법 프로토콜은 모랄론의 운동량 해상도 스펙트럼 함수, 즉 분산, 수명, 효과 질량에 대한 직접적인 실험적 접근을 가능하게 한다.
• 좁은 페시바 공명의 경우, 라만 스펙트럼은 정확히 모랄론 스펙트럼 함수 $\mathcal{A}_{\text{mol}}$ 와 일치하여 준입자 성질을 명확하게 추출할 수 있다.
• 이 프로토콜은 모랄론 분산에 유한 운동량에서의 로튼-유사 최소값을 드러내며, 이는 FFLO 상으로의 시스템 불안정성의 핵심 징후이다.
• 넓은 페시바 공명 조건에서도 라만 스펙트럼은 모랄론 스펙트럼 함수의 정성적 특징을 유지하며, 최소값 위치와 연속체로의 융합 정도를 유지한다. 오직 미미한 스펙트럼 무게 재분포만 발생한다.
• 모랄론 스펙트럼의 유한 운동량 최소값은 FFLO 상의 직접적인 전구로 작용하며, 양자 불순물 물리학과 비정상 초전도성 사이의 강력한 연결 고리를 확립한다.
• 이 방법은 강인하고 일반화 가능하며, 보스 폴라론 및 기타 복합 준입자로의 응용이 가능하여 질량이 다른 초냉각 기체에서 다체 결합 상태와 특이한 상의 연구에 기여할 수 있다.