[論文レビュー] Experimental realization of BCS-BEC crossover physics with a Fermi gas of atoms

C. A. Regal, D. S. Jin|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2006

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 125被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、調整可能なフェシュバッハ共鳴を用いて、超低温フェルミ原子系におけるBCS-BEC遷移の実験的実現を示した。これにより、相互作用を連続的に制御可能となった。主な結果は、遷移点におけるスーパーフルイド転移の観測であり、これは対凝縮と分子に類似したコープアー対の証拠によって裏付けられている。

ABSTRACT

This thesis presents experiments probing physics in the crossover between Bose-Einstein condensation (BEC) and BCS superconductivity using an ultracold gas of atomic fermions. Scattering resonances in these ultracold gases (known as Feshbach resonances) provide the unique ability to tune the fermion-fermion interactions. The work presented here pioneered the use of fermionic Feshbach resonances as a highly controllable and tunable system ideal for studying the cusp of the BCS-BEC crossover problem. Here pairs of fermionic atoms have some properties of diatomic molecules and some properties of Cooper pairs. I present studies of a normal Fermi gas at a Feshbach resonance and the work required to cool the gas to temperatures where superfluidity in the crossover is predicted. These studies culminated in our observation of a phase transition at the cusp of the BCS-BEC crossover through condensation of fermionic atom pairs. I also discuss subsequent work that confirmed the crossover nature of the pairs in these condensates.

研究の動機と目的

• 超低温原子フェルミ系におけるバリオン＝コープアー＝シュリーファー（BCS）超伝導とボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）の間の遷移を調査すること。
• BCS的コープアーと二原子分子の両方の特徴を示すペア化フェルミ粒子の性質が、遷移領域でどのように変化するかを調査すること。
• フェシュバッハ共鳴を用いた相互作用の実験的制御により、BCS-BEC遷移の臨界領域を調べること。
• フェルミガスを量子退磁状態に冷却し、遷移点におけるスーパーフルイド性の発現を検出すること。
• ペア形成および凝縮行動の測定を通じて、ペア化フェルミ粒子の遷移的性質を確認すること。

提案手法

• フェシュバッハ共鳴による散乱長の精密制御が可能な磁気トラップに閉じ込められた超低温原子フェルミガスを用いた。
• 磁場の調整によりフェシュバッハ共鳴を誘発し、s波散乱長を負（BCS的）から正（BEC的）へ連続的に変化させた。
• 蒸発冷却技術を用いて量子退磁状態に達し、スーパーフルイド転移を調べた。
• ガスの運動量分布の測定により、ペア化フェルミ粒子の形成と凝縮の開始を検出した。
• 系の熱力学的および相関性質の解析により、BCSとBEC領域を区別した。
• イン・サイト像取り込みと飛行時間拡張を用いて、ペア形成およびスーパーフルイド秩序パラメータの情報を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェシュバッハ共鳴を通じて、BCS的コープアー対からBEC的分子へとフェルミ粒子ペアの性質がどのように連続的に変化するか？
• RQ2 遷移領域において、どの相互作用強度でスーパーフルイド転移が発生するか？
• RQ3 フェルミ粒子ペアの形成が、遷移領域で実験的に観測され、凝縮として確認できるか？
• RQ4 フェシュバッハ共鳴による相互作用の調整が、BCS-BEC遷移の臨界点に到達する上で果たす役割は何か？
• RQ5 測定されたペア相関関数および運動量分布は、ペア状態の遷移的性質をどのように裏付けているか？

主な発見

• 磁場をフェシュバッハ共鳴点に調整することで、BCS-BEC遷移点におけるスーパーフルイド転移が実験的に達成された。
• ゼロ運動量における運動量分布の鋭いピークにより、フェルミ原子ペアの明確な凝縮が観測された。
• 測定されたペアギャップと臨界温度は、遷移領域全域で滑らかに変化し、理論予測と整合的であった。
• ユニタリ極限近辺でユニバーサルな挙動を示し、強い相関と弱い結合BCS理論の破綻を示した。
• 観測されたペア相関は、BCSとBECの間の遷移と整合的であり、BEC領域では分子に類似した性質を示した。
• 結果は、遷移領域におけるスーパーフルイド相が、BCS-BEC混合的性質を持つペア化フェルミ粒子の一致状態であることを確認した。