[论文解读] Probe for bound states of SU(3) fermions and colour deconfinement

Wayne J. Chetcuti, Juan Polo+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 12

一句话总结

本论文提出利用环形势阱中的持久电流频率来区分三组分SU(3)费米子中的三子束缚态与颜色超流体。通过分析有限温度效应，表明热涨落驱动解禁闭：弱相互作用导致散射态解禁闭，而强相互作用则揭示束缚态主导行为，且转变温度$ T^* $与相互作用强度呈非单调依赖关系。

ABSTRACT

Fermionic artificial matter realized with cold atoms grants access to an unprecedented degree of control on sophisticated many-body effects with an enhanced flexibility of the operating conditions. We consider three-component fermions with attractive interactions to study the formation of complex bound states whose nature goes beyond the standard fermion pairing occurring in quantum materials. Such systems display clear analogies with quark matter. Here, we address the nature of the bound states of a three-component fermionic system in a ring-shaped trap through the persistent current. In this way, we demonstrate that we can distinguish between color superfluid and trionic bound states. By analyzing finite temperature effects, we show how finite temperature can lead to the deconfinement of bound states. For weak interactions the deconfinement occurs because of scattering states. In this regime, the deconfinement depends on the trade-off between interactions and thermal fluctuations temperature. For strong interactions the features of the persistent current result from the properties of a suitable gas of bound states.

研究动机与目标

• 识别并区分三组分SU(3)费米子系统中的三子束缚态与颜色超流体（CSF）。
• 开发一种诊断工具，用于揭示超越标准库珀对配对的多体束缚态本质。
• 研究有限温度对SU(3)费米子系统中束缚态解禁闭的影响。
• 确立持久电流作为可观测量，揭示有效通量量子，从而反映多体态的结合特性。
• 表征持久电流从三子行为过渡到单粒子周期性的转变温度$ T^* $。

提出的方法

• 利用穿有有效磁通的环形势阱中的持久电流作为多体关联的探测工具。
• 通过持久电流的周期性确定有效通量量子，从而揭示结合特性：$ 1/N_p $周期性表明$ N_p $体束缚态。
• 采用有限尺寸标度方法建模转变温度$ T^* $，其定义为$ W(T^*) = 1/2 $，其中$ W $为第一傅里叶谐波的归一化权重。
• 使用拟合形式$ (W - A_0)U^ u = G(T - T^*) $拟合$ W $随温度的变化，三种相互作用区域（I、II、III）具有不同的标度规律。
• 利用精确对角化和DMRG方法计算不同相互作用强度下的持久电流与能级结构。
• 分析束缚态与散射态之间的能谱分离，以识别不同物理行为的区域，尤其关注回避能级交叉附近的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 持久电流能否在三组分SU(3)费米子系统中区分三子束缚态与颜色超流体？
• RQ2 有限温度如何影响SU(3)费米子中束缚态的解禁闭？转变温度$ T^* $由什么决定？
• RQ3 持久电流傅里叶分量的功能依赖关系如何随相互作用强度与温度变化？
• RQ4 在弱相互作用与强相互作用区域，散射态与束缚态对持久电流的贡献有何不同？
• RQ5 有效通量量子在识别SU(3)费米子多体关联本质方面起什么作用？

主要发现

• 持久电流频率揭示了从三子行为（通量量子周期的$ 1/3 $）到单粒子周期性（周期$ 1 $）的转变，随温度升高而发生，表明发生了解禁闭。
• 在弱相互作用下，解禁闭源于散射态的热激发，且$ T^* $与$ |U| $呈非单调依赖，峰值出现在$ U_{0, ext{II}} = 2.56 $。
• 在区域II（$ |U| $接近$ 2.56 $），束缚态与散射态完全分离，$ T^* \text{ max } = 0.056 $，表明分离最优。
• 在区域III（$ |U| > 2.56 $），束缚态几乎简并，且$ T^* $随$ |U| $增加缓慢减小，遵循指数为$ 1.459 $的幂律依赖关系。
• 转变温度$ T^* $在区域I与II中最佳拟合为非单调抛物线形式，在区域III中为幂律拟合，其中$ T_{0, ext{III}} = 0.0576 $，与$ T_{0, ext{II}} $一致。
• 颜色超流体比三子态对热涨落更不稳定，但由于存在未配对的色度，总电流周期仍保持为$ heta_0 $，表明配对具有部分稳定性。