[论文解读] Fermionic matter-wave quantum optics with cold-atom impurity models

Bennet Windt, Miguel Bello+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 112被引用 1

一句话总结

本文通过冷原子杂质模型引入了费米子物质波量子光学，将无自旋费米子在晶格上与局域杂质能级耦合，揭示了1D和2D中的普遍屏蔽云标度行为、费米能级附近的分数衰减，以及束缚态在连续谱中等非马尔可夫多体效应，为超冷费米气体中的实验路径提供了可能。

ABSTRACT

Motivated by recent cold-atom realisations of matter-wave waveguide QED, we study simple fermionic impurity models and discuss fermionic analogues of several paradigmatic phenomena in quantum optics, including formation of non-trivial bound states, (matter-wave) emission dynamics, and collective dissipation. For a single impurity, we highlight interesting ground-state features, focusing in particular on real-space signatures of an emergent length scale associated with an impurity screening cloud. We also present novel non-Markovian many-body effects in the quench dynamics of single- and multiple-impurity systems, including fractional decay around the Fermi level and multi-excitation population trapping due to bound states in the continuum.

研究动机与目标

• 通过研究结构浴中的费米子杂质模型，弥合量子光学与凝聚态物理之间的鸿沟。
• 探讨统计性质（费米子与玻色子）如何影响量子光学现象，如束缚态与耗散。
• 识别超冷费米气体中多体效应的实验可观测特征。
• 将束缚态在连续谱（BICs）的理论推广至二维费米子浴。
• 证明在当前冷原子实验中观测基态屏蔽云与非马尔可夫动力学的可行性。

提出的方法

• 将无相互作用的无自旋费米子晶格建模为结构浴，通过局域跃迁与局域费米子杂质模耦合。
• 在1D和2D中分析单杂质与多杂质系统的热力学极限（无限晶格）。
• 使用主方程研究马尔可夫动力学，并将单激发格林函数形式推广至多激发区域以研究非马尔可夫效应。
• 计算杂质-浴关联函数，以提取屏蔽云与涌现长度尺度的实空间特征。
• 研究从占据杂质与费米海浴开始的淬火动力学，追踪布居衰减与局域化过程。
• 推广二维浴中BIC理论，并识别支持分数衰减的构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米子杂质在1D和2D晶格中如何与结构浴耦合，其基态关联的普遍标度特征为何？
• RQ2 费米能级在诱导单杂质系统中分数衰减方面扮演何种角色，其作用是否超越能带边缘？
• RQ3 非马尔可夫多体效应（如束缚态在连续谱中）如何影响多杂质淬火动力学？
• RQ4 费米子杂质模型中屏蔽云的实空间特征为何，其在2D中随距离如何标度？
• RQ5 预测的多体效应是否可在当前超冷费米气体实验装置中实现可观测？

主要发现

• 在1D中，杂质-浴关联函数表现出从对数标度到r−1标度的交叉，其普遍性扩展至比以往认为更广的参数范围。
• 在2D中，关联函数在长距离下呈现r−3/2标度，与先前预测的r−1标度相矛盾，表明存在不同的屏蔽机制。
• 分数衰减不仅发生在能带边缘，也因束缚态在费米能级附近出现，其动力学强烈依赖于费米能级相对于杂质局域势能的位置。
• 多杂质系统表现出多指数衰减，且在支持束缚态在连续谱（BICs）的构型中可观测到分数衰减。
• 二维费米子浴中BIC理论得到推广，表明此类构型中分数衰减与布居局域化具有鲁棒性。
• 基态屏蔽云特征可在实验可实现尺寸的有限系统中探测到，使当前冷原子平台可直接观测。