[論文レビュー] Effect of resonant interactions on the stability of a three-state Fermi gas

J. H. Huckans, Jason Williams+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2008

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、$^6$Li原子の超低温フェルミガスにおける3スピン状態系が3つのフェシュバッハ共鳴にわたって三体崩壊を調査している。磁場を調整することで、著者らは崩壊率が4桁以上変動することを観測し、少なくとも2つの散乱長が小さい場合には最小限の崩壊が見られ、共鳴付近では損失が増幅されることを確認した。また、予期しない2つの共鳴的損失特徴も観測された。高磁場領域、$a_t = -2140 a_0$に近い領域では、三体損失係数 $L_3 \simeq 5 \times 10^{-22} \, \text{cm}^6/\text{s}$ が測定され、これにより将来のSU(3)対称系、例えば色超伝導性や三体励起子の形成に関する研究が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

We investigate the stability of a three spin state mixture of ultracold fermionic $^6$Li atoms over a range of magnetic fields encompassing three Feshbach resonances. For most field values, we attribute decay of the atomic population to three-body processes involving one atom from each spin state and find that the three-body loss coefficient varies by over four orders of magnitude. We observe high stability when at least two of the three scattering lengths are small, rapid loss near the Feshbach resonances, and two unexpected resonant loss features. At our highest fields, where all pairwise scattering lengths are approaching $a_t = -2140 a_0$, we measure a three-body loss coefficient $L_3 \simeq 5 imes 10^{-22} \mathrm{cm}^6/\mathrm{s}$ and a trend toward lower decay rates for higher fields indicating that future studies of color superfluidity and trion formation in a SU(3) symmetric Fermi gas may be feasible.

研究の動機と目的

• 超低温$^6$Li原子の3スピン状態フェルミガスが磁場の変化に応じてどのように安定性を示すかを理解すること。
• 1つのスピン状態から1つの原子を含む三体過程における共鳴的相互作用の役割を特定すること。
• 複数のフェシュバッハ共鳴にわたる三体損失係数を測定し、予期しない損失特徴を同定すること。
• 色超伝導性や三体励起子形成といったSU(3)対称現象の研究が、超低温フェルミガスで可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 3つのフェシュバッハ共鳴にわたって$^6$Liフェルミガスの磁場を調整し、2体散乱長を制御する。
• 原子集団の崩壊率を測定することで、三体損失係数を推定する。
• 1つのスピン状態から1つの原子を含む三体過程の寄与を特定するために損失ダイナミクスを解析する。
• すべての2体散乱長が $a_t = -2140 a_0$ に近づく高磁場領域を用いて安定性の傾向を調査する。
• 観測された損失率を理論的予測と比較し、予期しない共鳴的損失特徴を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3つのフェシュバッハ共鳴にわたる磁場範囲において、三体損失係数はどのように変化するか？
• RQ2 共鳴的相互作用は、3成分フェルミガスにおける三体崩壊を強化または抑制する役割を果たすか？
• RQ3 なぜ2つの予期しない共鳴的損失特徴が損失率プロファイルに現れるのか？
• RQ4 すべての散乱長が大きく負であり、かつ高磁場領域に近づく際、低三体損失率を達成できるか？
• RQ5 色超伝導性や三体励起子形成に適したSU(3)対称状態に、システムはどの程度近づけるか？

主な発見

• 測定した磁場範囲にわたって、三体損失係数が4桁以上変動することがわかった。
• 少なくとも2つの2体散乱長が小さい場合に高い安定性が観測され、三体損失が低減していることが示された。
• 3つのフェシュバッハ共鳴付近では、急激な原子集団の崩壊が観測され、三体過程の増幅と整合的であった。
• 2つの予期しない共鳴的損失特徴が同定され、既知の損失メカニズムの単純な外挿とは乖離していた。
• すべての散乱長が $a_t = -2140 a_0$ に近づく最高磁場領域では、三体損失係数が $L_3 \simeq 5 \times 10^{-22} \, \text{cm}^6/\text{s}$ と測定された。
• 最高磁場領域では、磁場強度の増加に伴い崩壊率が減少する傾向が観測され、将来のSU(3)対称実験における安定性の向上が示唆された。