[論文レビュー] Optomechanical Response of a Strongly Interacting Fermi Gas

Victor Helson, Timo Zwettler+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 36被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、高 finesse 光学キャビティに結合された強い相互作用を示す超低温フェルミガスにおいて、ガスの密度応答が原因で生じる強力なオプトメカニカル Kerr非線形性を示した。ゼロ周波数密度応答関数は、バリオン＝クーパー＝シュリーファー（BCS）からボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）領域に至る間で2倍に増加し、これは応答を普遍的熱力学量（接触および内部エネルギー）に結びつける演算子積展開（OPE）によって定量的に説明された。

ABSTRACT

We study a Fermi gas with strong, tunable interactions dispersively coupled to a high-finesse cavity. Upon probing the system along the cavity axis, we observe a strong optomechanical Kerr nonlinearity originating from the density response of the gas to the intracavity field and measure it as a function of interaction strength. We find that the zero-frequency density response function of the Fermi gas increases by a factor of two from the Bardeen-Cooper-Schrieffer to the Bose-Einstein condensate regime. The results are in quantitative agreement with a theory based on operator-product expansion, expressing the density response in terms of universal functions of the interactions, the contact and the internal energy of the gas. This provides an example of a driven-dissipative, strongly correlated system with a strong nonlinear response, opening up perspectives for the sensing of weak perturbations or inducing long-range interactions in Fermi gases.

研究の動機と目的

• 高 finesse キャビティに閉じ込められた強い相互作用を示すフェルミガスのオプトメカニカル応答を調べること。
• ガスの密度応答に起因するオプトメカニカル Kerr 非線形性の相互作用強度依存性を測定すること。
• 非線形応答が接触や内部エネルギーといった普遍的多体パラメータによって記述可能かどうかを検証すること。
• 駆動・散逸的で強い相関を持つ量子系と普遍的応答関数との間の関係を確立すること。

提案手法

• スターリング波光場を介したフェルミガスと高 finesse 光学キャビティとの分散的結合により、集団的密度応答をキャビティモードがプローブする。
• 弱いプローブレーザーを用いてキャビティ透過スペクトルを測定し、高イントラキャビティパワー下で Kerr 非線形性を示す非対称ラインシフトを観測する。
• プローブパワーに応じたキャビティ共鳴周波数シフトを測定し、有効非線形性を抽出する。
• 静的密度応答関数を普遍的熱力学量（接触および内部エネルギー）で表すために演算子積展開（OPE）を適用する。
• 実験データと OPE を用いた理論予測を比較し、非線形応答の定量的記述を検証する。
• フェシバ共鳴を用いて BCS-BEC 跨渡域にわたる相互作用強度を調整し、応答の相互作用依存性を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BCS-BEC 跨渡域にわたる強い相互作用フェルミガスのオプトメカニカル Kerr 非線形性は、相互作用強度にどのように依存するか？
• RQ2 フェルミガスの非線形応答は、接触や内部エネルギーといった普遍的多体パラメータによって定量的に記述可能か？
• RQ3 強い相互作用領域において、フェルミガスのゼロ周波数密度応答関数は普遍的スケーリング行動を示すか？
• RQ4 強い相関とフィードバックが存在するにもかかわらず、系の駆動・散逸的非線形応答が、たった数個の普遍的パラメータによって支配される程度はどの程度か？

主な発見

• 強い相互作用フェルミガスのゼロ周波数密度応答関数は、バリオン＝クーパー＝シュリーファー（BCS）からボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）領域に至る間で2倍に増加した。
• 測定されたオプトメカニカル Kerr 非線形性は、静的密度応答関数の演算子積展開（OPE）に基づく理論予測と定量的に一致した。
• OPE を用いた理論は、接触およびガスの内部エネルギーという2つの普遍的熱力学量のみを用いて非線形応答を成功裏に記述した。
• 観測された非線形性は頑健であり、BCS-BEC 跨渡域にわたって持続し、強い相関領域における普遍的振る舞いを示した。
• 本結果は、駆動・散逸的で強い相関を持つ量子系が、強いフィードバック下にあっても、少数の普遍的パラメータによって効果的に記述可能であることを示した。
• 実験系は、オプトメカニカル結合を介して弱い摂動を検出する、または超低温フェルミガスにおける長距離相互作用を誘発するためのプラットフォームを提供する。