[論文レビュー] Imbalanced Fermi Gases

K. B. Gubbels, H. T. C. Stoof|arXiv (Cornell University)|May 2, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

このレビューでは、スピンおよび質量の不均衡を示す強い相互作用系を有するフェルミガスに注目し、相分離、ギャップレスSarma超伝導性、および超固体性といった超伝導相の発現を検討する。平均場理論、図式的手法、およびレノルム化群技法を用いて、超冷却原子系における実験的結果を記述する定量的枠組みを提供し、偏極および相互作用強度の変動に伴う相図の理解を深める。

ABSTRACT

We consider imbalanced Fermi gases with strong attractive interactions, for which Cooper-pair formation plays an important role. The two-component mixtures consist either of identical fermionic atoms in two different hyperfine states, or of two different atomic species both occupying only a single hyperfine state. In both cases, the number of atoms for each component is allowed to be different, which leads to a spin imbalance, or spin polarization. Two different atomic species also lead to a mass imbalance. Imbalanced Fermi gases are relevant to condensed-matter physics, nuclear physics and astroparticle physics. They have been studied intensively in recent years, following their experimental realization in ultracold atomic Fermi gases. The experimental control in such a system allows for a systematic study of the equation of state and the phase diagram as a function of temperature, spin polarization and interaction strength. In this review, we discuss the progress in understanding strongly-interacting imbalanced Fermi gases, where a main goal is to describe the results of the highly controlled experiments. We start by discussing Feshbach resonances, after which we treat the imbalanced Fermi gas in mean-field theory to give an introduction to the relevant physics. We encounter several unusual superfluid phases, including phase separation, gapless Sarma superfluidity, and supersolidity. To obtain a more quantitative description of the experiments, we review also more sophisticated techniques, such as diagrammatic methods and the renormalization-group theory. We end the review by discussing two theoretical approaches to treat the inhomogeneous imbalanced Fermi gas, namely the Landau-Ginzburg theory and the Bogoliubov-de Gennes approach.

研究の動機と目的

• 実験的制御下における強い相互作用を示す不均衡フェルミガスの相図を理解すること。
• 相分離やギャップレスSarma超伝導性といった特異な超伝導相の出現を説明すること。
• 超冷却原子フェルミ系における理論的モデルと実験的観測を橋渡しすること。
• スピンおよび質量の不均衡系を記述する定量的理論的ツールを開発すること。
• Landau-Ginzburg理論およびBogoliubov-de Gennesアプローチを用いて、不均一性の課題に取り組むこと。

提案手法

• 不均衡フェルミ系におけるコープアー対形成をモデル化するための平均場理論の適用。
• 超冷却原子系における相互作用強度を調整するためのフェシュバッハ共鳴の利用。
• 平均場理論を超えた補正を図式的手法を用いて行う。
• スケール不変性を捉えるためにレノルム化群理論の応用。
• 不均一超伝導相を記述するためのLandau-Ginzburg理論の定式化。
• 空間的に不均一な超伝導秩序パラメータを記述するためのBogoliubov-de Gennesアプローチの実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン不均衡は、超冷却フェルミガスにおけるコープアー対の形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ギャップレスSarma超伝導性や相分離が、不均衡フェルミ系でどのような条件下で出現するか？
• RQ3 フェシュバッハ共鳴は、相互作用強度および偏極の実験的調整をどのように可能にするか？
• RQ4 不均衡フェルミ系における状態方程式および相転移を正確に記述する理論的枠組みは何か？
• RQ5 トラップされた系における不均一性は、超伝導秩序パラメータの空間的構造にどのように影響するか？

主な発見

• フェルミ面の不一致により、強い不均衡フェルミガスでは相分離が生じ、通常状態と超伝導状態が共存する。
• フェルミ面の不一致が超伝導ギャップを上回ると、ギャップレスSarma超伝導性が安定化し、有限エネルギーの励起スペクトルが生じる。
• 競合する秩序パラメータを有する特定のパrameter領域において、超固体性が可能な基底状態として同定される。
• 図式的手法およびレノルム化群手法により、平均場理論の予測に対する定量的補正が得られ、実験データとの整合性が向上する。
• Landau-Ginzburg理論およびBogoliubov-de Gennesアプローチは、トラップされた不均衡フェルミガスにおける空間的不均一性をうまく記述できる。
• フェシュバッハ共鳴により、相互作用強度を正確に制御可能であり、超冷却原子系は不均衡超伝導性を研究する理想的なプラットフォームである。