[논문 리뷰] Strongly Interacting Bose Gases near a $d$-wave Shape Resonance

Xing-Can Yao, Ran Qi외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 17.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비가역 41K 보스 가스에서 넓은 d-파장 형상 공명의 첫 번째 실험적 관측를 보고하며, 분자의 결합 에너지가 삼중으로 분할된 것을 통해 d-파장 분자의 존재를 입증한다. 레이징을 통해 공명을 통과시키면, 거의 감쇠되지 않는 진동 모드 진동을 보이는 장수명의 저온 원자-분자 혼합물이 형성되며, 이는 초냉각 양자 가스에서 d-파장 분자 초전도 상의 잠재성을 강력히 시사한다.

ABSTRACT

Many unconventional quantum matters, such as fractional quantum Hall effect and $d$-wave high-Tc superconductor, are discovered in strongly interacting systems. Understanding quantum many-body systems with strong interaction and the unconventional phases therein is one of the most challenging problems in physics nowadays. Cold atom systems possess a natural way to create strong interaction by bringing the system to the vicinity of a scattering resonance. Although this has been a focused topic in cold atom physics for more than a decade, these studies have so far mostly been limited for $s$-wave resonance. Here we report the experimental observation of a broad $d$-wave shape resonance in degenerate ${}^{41}$K gas. We further measure the molecular binding energy that splits into three branches as a hallmark of $d$-wave molecules, and find that the lifetime of this many-body system is reasonably long at strongly interacting regime. From analyzing the breathing mode excited by ramping through this resonance, it suggests that a quite stable low-temperature atom and molecule mixture is produced. Putting all the evidence together, our system offers great promise to reach a $d$-wave molecular superfluid.

연구 동기 및 목표

• 강하게 상호작용하는 보스 가스에서 d-파장 형상 공명을 실험적으로 관측하고자 하며, 이는 초냉각 원자 시스템에서 이전에 탐색되지 않은 영역이다.
• 특히 d-파장 분자의 형성과 안정성에 주목하여, d-파장 공명 근처의 다체 물리학을 조사하고자 한다.
• 원자와 분자의 장수명 저온 혼합물이 안정화될 수 있는지 확인하고, 새로운 양자 상에 접근할 수 있는지를 조사하고자 한다.
• 스펙트로스코픽 및 동적 측정을 통해 d-파장 분자 초전도성의 발생을 탐구하고자 한다.

제안 방법

• 비가역 41K 기체에서 d-파장 형상 공명 근처의 상호작용을 조절하기 위해 자기 페시백 공명을 사용하였다.
• 세 분지로 분할된 분자의 결합 에너지의 특징을 확인하기 위해 원자 손실과 분자의 결합 에너지를 측정하였다.
• 레이징을 통해 공명을 통과시켜 진동 모드 진동을 자극하고 최종 다체 상태에 대한 정보를 추출하였다.
• 레이징 속도에 따른 진동 진폭과 최종 원자 수의 함수로서, 혼합 원자-분자 상의 존재를 추론하기 위해 분석하였다.
• 최종 토머스-페르미 반경이 원자만으로 결정된다고 가정하고, 식 $ R_{\rm f} = (15a_{\text{s}}a_{\text{ho}}^{4}N_{\text{a}})^{1/5} $ 를 사용하여 원자 분율을 추출하고, 이를 통해 분자 분율을 산출하였다.
• 실험 데이터의 진동 진폭과 남은 원자 수를 레이징 속도의 함수로 피팅하여 분자 분율 $ 2N_{\text{m}}/N_{\text{f}} $ 를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가역 41K 원자 보스 가스에서 넓은 d-파장 형상 공명을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 분자의 결합 에너지가 삼중 분지로 분할되어 있으며, 이는 d-파장 특성을 확인하는가?
• RQ3 d-파장 공명 근처의 강한 상호작용 영역에서 다체 시스템의 수명은 얼마인가?
• RQ4 공명을 통과시키는 레이징이 안정된 원자-분자 혼합물을 생성하는가, 그리고 저온 양자 상에 있는가?
• RQ5 관측된 진동 모드 진동은 d-파장 분자 초전도성의 형성을 시사하는가?

주요 결과

• 넓은 d-파장 형상 공명이 비가역 41K 기체에서 실험적으로 관측되었으며, 분자의 결합 에너지에서 삼중 분할의 특징으로 확인되었다.
• 강한 상호작용 영역에서 시스템은 충분히 긴 수명을 가지며, 다체 동역학의 연구가 가능하다.
• 공명을 통과한 후의 진동 모드 진동은 거의 감쇠되지 않아, 시스템이 저온 양자 상태에 남아 있음을 시사한다.
• 진동 진폭과 최종 원자 수의 분석을 통해 분자 분율이 중간 레이징 속도에서 최대가 되는 비단조화적 행동을 보이며, 안정된 원자-분자 혼합물의 존재를 확인하였다.
• 분자 분율 $ 2N_{\text{m}}/N_{\text{f}} $ 는 중간 레이징 속도에서 최대에 도달하며, 원자와 분자의 응축상과 일치한다.
• 모든 증거가 이 시스템에서 d-파장 분자 초전도성의 형성을 뒷받침하며, 비정상 초전도성 연구를 위한 플랫폼을 제공한다.