[논문 리뷰] Two-Element Mixture of Bose and Fermi Superfluids

Richard Roy, Alaina Green외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 12.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 174Yb(보스성)와 6Li(페르미성) 원자를 사용하여 안정적인 이원자 보스-페르미 초류체 혼합물의 첫 번째 실현을 보고하며, 보스성 성분에서 측정 가능한 디폴 모드 주파수 이격을 통한 탄성 결합을 입증한다. 관측된 이격은 상호작용 계수의 부호가 양수임을 확인하고, 자이로스 모드를 통한 운동량 이행을 탐지할 수 있게 하며, 초류체 유체역학 모델에 의해 검증된다.

ABSTRACT

We report on the production of a stable mixture of bosonic and fermionic superfluids composed of the elements $^{174}$Yb and $^6$Li which feature a strong mismatch in mass and distinct electronic properties. We demonstrate elastic coupling between the superfluids by observing the shift in dipole oscillation frequency of the bosonic component due to the presence of the fermions. The measured magnitude of the shift is consistent with a mean-field model and its direction determines the previously unknown sign of the interspecies scattering length to be positive. We also observe the exchange of angular momentum between the superfluids from the excitation of a scissors mode in the bosonic component through interspecies interactions. We explain this observation using an analytical model based on superfluid hydrodynamics.

연구 동기 및 목표

• 큰 질량 비를 가진 보스성 174Yb와 페르미성 6Li 원자로 안정적이고 양자적 비탄성 혼합물을 생성하기.
• 디폴 모드 주파수 이격을 통한 초류체 성분 간의 탄성 결합을 탐구하기.
• 보스성 성분에서 자이로스 모드를 자극함으로써 초류체 간 운동량 교환을 탐지하기.
• 평균장 이론과 실험적 주파수 이격을 사용하여 상호작용 계수의 부호를 결정하기.
• 이원성 초냉각 원자계에서 초류체 유체역학 이론 모델의 타당성 검증하기.

제안 방법

• 1064 nm 광학 디폴 트랩을 동적 형태로 조절하여 양종의 증발 냉각을 효율적으로 수행.
• 330 G에서 174Yb의 동시 강제 증발 냉각과 6Li의 심파티 심화 냉각을 수행하여 양자 비탄성 상태를 달성.
• 자기장 기울기를 사용하여 6Li의 트랩 깊이를 감소시켜 174Yb BEC와의 공간적 오버랩을 유도.
• 라디오파르스 펄스를 사용하여 832 G에서 Feshbach 공 resonance에 맞추어 6Li의 50:50 스핀 혼합 상태를 준비.
• 상대적 클라우드 중심 이격에 따라 174Yb 성분의 디폴 모드 주파수 이격을 측정.
• 174Yb 응집체에 자이로스 모드를 자극하고 초류체 유체역학 방정식을 사용하여 운동량 이행을 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초류체 혼합물에서 174Yb와 6Li 사이의 상호작용 계수의 부호는 무엇인가?
• RQ2 보스성 초류체와의 결합으로 인해 보스성 성분의 디폴 모드 주파수는 어떻게 이격되는가?
• RQ3 보스와 페르미 초류체 간에 상호작용을 통해 운동량을 이행할 수 있는가?
• RQ4 이원성 클라우드의 공간적 이격은 디폴 모드의 평균장 주파수 이격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 페르미 기체의 밀도 프로파일 곡률은 상호작용 유도 주파수 이격에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 174Yb 성분에서 측정된 디폴 주파수 이격은 평균장 모델과 일치하며, 상호작용 계수가 양수임을 확인한다.
• 클라우드 중심이 6Li 클라우드 반지름의 44% 비율로 이격된 경우, 주파수 이격 측정에 10%의 체계적 오차가 발생할 수 있다.
• 수평 이격이 증가할수록 주파수 이격은 감소하며, 페르미 기체 내에서 반지름 방향 이격에 제곱근의 의존성을 보인다.
• 유닛성 조건($1/k_F a_F = 0$)에서 피크 주파수 이격은 $k_F a_{BF}$에 비례하며, 질량 비와 분극성에 따라 달라지는 계수를 가진다.
• 174Yb 성분에서 자이로스 모드 자극은 시간에 따라 변화하는 각도 변형에 의해 유도되며, 측정 가능한 운동량 이행을 초래한다.
• 초류체 유체역학 기반 이론 모델은 관측된 운동량 이행과 주파수 이격 동역학을 성공적으로 설명한다.