[논문 리뷰] Transition from a polaronic condensate to a degenerate Fermi gas of heteronuclear molecules

Marcel Duda, Xing-Yan Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 08.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 밀도가 일치하는 보즈-페르미 혼합물에서 이종핵 NaK 분자의 초점성 빛의 양자상전이를 다루며, 손실을 억제하기 위해 새로운 밀도 압축 해제 기술을 사용하여, 상호작용에 의해 유도된 초점성 질서 파ram의 감소와 함께 2.7 Debye의 큰 전기 dipole 모멘트를 가진 양자 디그레너레이션된 분자 페르미 가스의 출현을 관측하였다.

ABSTRACT

The interplay of quantum statistics and interactions in atomic Bose--Fermi mixtures leads to a phase diagram markedly different from pure fermionic or bosonic systems. However, investigating this phase diagram remains challenging when bosons condense. Here, we observe evidence for a quantum phase transition from a polaronic to a molecular phase in a density-matched degenerate Bose--Fermi mixture. The condensate fraction, representing the order parameter of the transition, is depleted by interactions and the build-up of strong correlations results in the emergence of a molecular Fermi gas. By driving through the transition, we ultimately produce a quantum-degenerate sample of sodium-potassium molecules exhibiting a large molecule-frame dipole moment of 2.7 Debye. The observed phase transition represents a new phenomenon complementary to the paradigmatic BEC-BCS crossover observed in Fermi systems.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 일치하는 초점성 보즈-페르미 혼합물에서의 양자상전이를 조사하기 위해, 둘 다 양자 디그레너레이션된 상태인 두 입자 종류가 상호작용하는 조건을 고려한다.
• 이중 디그레너레이션 혼합물에서 증가된 이중체 손실이 초점성 빛의 형성과 양자 디그레너레이션된 이종핵 분자의 형성에 장애가 되는 문제를 해결한다.
• 보즈 및 페르미 입자가 상호 빛을 비추는 조건에서, 폴라론적 상관관계와 분자 쌍화의 상호작용을 탐구한다.
• 표준 페르미-폴라론 모형을 넘어서, 새로운 양자상전이를 실험적으로 실현하고 특성화한다. 이는 BEC-BCS 교차점과는 다름을 특징으로 하는 분자 페르미 가스의 형성이다.

제안 방법

• 보즈-아인슈타인 응축체의 피크 밀도를 낮추기 위해 밀도 압축 해제 기술을 도입하여, 분자 결합 중 이중체 손실 과정을 억제한다.
• 23Na와 40K 원자를 각각 독립적으로 조절하기 위해 종류에 따라 다른 785-nm 디폴드 트랩과 원거리 떨어진 1550/1064-nm 트랩을 사용한다.
• 23Na와 40K 사이의 s-파면 스캐터링 길이를 조절하기 위해 피셔 레조넌스를 적용하여 자기장 제어를 통해 상호작용 강도를 연속적으로 조절한다.
• 전이의 질서 파ram으로서 초점성 분율을 측정하고, 증가하는 인력 상호작용에 따라 그 감소를 추적한다.
• 시간에 따른 비행 영상과 페르미-디랙 분포 피팅을 통해 온도와 현장 밀도를 추출하고, 고전적 기체 근사를 적용하여 디그레너레이션된 페르미 가스의 특성을 추정한다.
• 온도에 의존하는 손실 계수를 가진 밀도 의존 이중체 손실 방정식을 사용하여 분자 손실을 모델링하고, 데이터를 피팅하여 손실 매개변수를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도가 일치하는 보즈-페르미 혼합물에서 폴라론적 응축체에서 분자 페르미 가스로의 양자상전이가 어떻게 나타나는가?
• RQ2 초점성 빛의 형성에서 상호 빛을 비추는 초점성 보즈 및 페르미 입자가 표준 페르미-폴라론 그림을 넘어서 전이를 어떻게 이끄는가?
• RQ3 높은 밀도 혼합물에서 강한 이중체 손실이 존재하는 상황에서도 양자 디그레너레이션된 분자 페르미 가스의 형성이 가능할 수 있는가?
• RQ4 대칭적 밀도 조건에서 폴라론에서 분자로의 전이가 발생하는 임계 상호작용 강도는 무엇인가?
• RQ5 디그레너레이션 영역에서 분자 손실률은 온도와 밀도에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• 증가하는 인력 상호작용에 따라 폴라론적 응축체 질서 파ram이 감소하며, 이는 분자 상으로의 양자상전이를 시사한다.
• 상호 빛을 비추는 강한 상관관계가 전이를 이끌며, 23Na-40K 분자의 디그레너레이션된 페르미 가스가 형성된다.
• 2.7 Debye의 큰 전기 dipole 모멘트를 가진 NaK 분자의 디그레너레이션 샘플이 성공적으로 제작되었다.
• 기본 상태 NaK 분자의 이중체 손실 계수는 $ b_{\text{GS}} = 4.8(6) \times 10^{-11} \, \text{cm}^3/\mu\text{K} \cdot \text{s} $로 측정되었으며, 밀도 압축 해제 기술 덕분에 손실이 억제된 것으로 나타났다.
• 피셔 레조넌스 분자의 손실 계수는 $ b_{\text{FB}} = 3.8(5) \times 10^{-12} \, \text{cm}^3/\mu\text{K} \cdot \text{s} $로 측정되어, 손실 완화 전략의 효과성을 확인하였다.
• 전이의 임계 역스캐터링 길이 $ (k_F a_{BF})^{-1} $ 는 이상적인 보즈 입자에서 $ n_B/n_F = 1 $ 인 조건에서 이론 예측과 일치하며, 약 2.02의 값을 가졌다.