[논문 리뷰] Strongly Interacting Fermi Gases

W. Zwerger|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 10인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 페시우스 공명 근처에서 강하게 상호작용하는 초냉각 페르미 가스의 이론적 프레임워크를 검토하며, 유니버설리티, 척도 불변성, 그리고 운반 성질에 중점을 둔다. 탄의 접촉을 통해 유니버설 관계를 수립하고, 점탄성 점도와 스핀 확산에 대한 유니버설 한계를 도출하여 양자临계점 근처에서 최소값을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

The experimental realization of stable, ultracold Fermi gases near a Feshbach resonance allows to study gases with attractive interactions of essentially arbitrary strength. They extend the classic paradigm of BCS into a regime which has never been accessible before. We review the theoretical concepts which have been developed in this context, including the Tan relations and the notion of fixed points at zero density, which are at the origin of universality. We discuss in detail the universal thermodynamics of the unitary Fermi gas which allows a fit free comparison between theory and experiment for this strongly interacting system. In addition, we adress the consequences of scale invariance at infinite scattering length and the subtle violation of scale invariance in two dimensions. Finally we discuss the Fermionic excitation spectrum accessible in momentum resolved RF-spectroscopy and the origin of universal lower bounds for the shear viscosity and the spin diffusion constant.

연구 동기 및 목표

• 페시우스 공명 근처에서 상호작용이 조절 가능하고 강한 강한 상호작용 페르미 가스에 대한 이론적 기초를 확립하기 위해.
• 무한대의 밀도 근처에서 고정점과 척도 불변성을 통해 유니터리 극한에서의 유니버설리티가 어떻게 나타나는지 설명하기 위해.
• 열역학적 및 척도 접근법을 사용하여 점탄성 점도와 스핀 확산에 대한 유니버설 운반 관계를 유도하기 위해.
• RF 스펙트로스코피 및 열역학적 측정과 같은 실험적 관측량과 이론적 예측을 연결하기 위해.
• 양자임계점 영역에서 운반 계수에 대한 유니버설 하한을 규명하기 위해

제안 방법

• 에너지 및 접촉과 같은 열역학적 양과 시스템 내 단거리 상관관계를 연결하기 위해 탄의 관계를 사용한다.
• Luttinger-Ward 이론을 적용하여 상태 방정식과 열역학적 및 운반 성질에 대한 유니버설 척도 함수를 유도한다.
• 무한산산도에서의 척도 불변성과 2차원에서의 conformal anomaly에 의한 미묘한 위반을 분석한다.
• 운동량 해상도가 있는 RF 스펙트로스코피를 사용하여 페르미온 성분 스펙트럼을 탐색하고 유니버설 매개변수를 추출한다.
• 유니버설 척도 함수를 사용하여 무차원 운반 비율(η/s 및 Dₛ)을 유도하고, 수치적 및 해석적 계산으로 검증한다.
• 1/N 전개와 N=1으로의 외삽을 사용하여 μ=0에서 운반 계수를 추정하고, 최소값과의 일관성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 상호작용하는 페르미 가스에서 유니버설 관계는 어떻게 유니터리 극한 근처에서 나타나며, 접촉은 열역학에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 유니터리 페르미 가스에서 유니버설리티의 근원은 무엇이며, 영밀도 근처의 고정점과는 어떻게 관련되는가?
• RQ3 척도 불변성이 유니터리 기체의 열역학 및 운반 성질을 어떻게 제약하며, 2차원에서의 양자 이상은 무엇인가?
• RQ4 양자임계점 영역에서 점탄성 점도와 스핀 확산에 대한 유니버설 하한은 무엇이며, 어디서 최소가 되는가?
• RQ5 RF 스펙트로스코피 및 열역학적 측정과 같은 실험적 관측량은 유니버설 이론적 예측과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 점탄성 점도 대 엔트로피 비율 η/s는 θ ≈ 0.35( x ≈ 0.9) 근처에서 약 0.6 ħ/kB의 최솟값을 보이며, KSS 한계를 훨씬 초과한다.
• 스핀 확산 계수 Dₛ는 θ ≈ 0.5( x ≈ 0.3) 근처에서 약 1.3 ħ/m의 최솟값을 보이며, 강한 양자임계 행동을 나타낸다.
• 무차원 점탄성 점도 η/(ħn)는 θ ≈ 0.13( x ≈ 2.85) 근처에서 약 0.37의 최솟값을 보이며, Tc 이하의 실험 관측과 일치한다.
• η/s와 Dₛ의 최솟값은 쿼라스파티클 기술이 실패하는 양자임계점 영역에서 발생하며, 주파수 의존 점도는 비드루드, 무구조적 감쇠를 보인다.
• 운반 계수들은 유니버설 척도를 보이며, η/s와 Dₛ는 각각 fη(βμ)/fs(βμ) 및 fη(βμ)/fn(βμ)의 유니버설 척도 함수 비율에 의해 결정된다.
• 1/N 전개 결과를 N=1으로 외삽하면 μ=0에서 η/s ≈ 0.74 ħ/kB가 되며, 최솟값과 유사하여 다양한 접근법 간의 일관성을 확인한다.