[論文レビュー] Probing molecular spectral functions and unconventional pairing using Raman spectroscopy

Oriana K. Diessel, Jonas von Milczewski+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超低温フェルミガス内の量子インポジションがバーストフェルミオンと結合して形成される複合準粒子・モラロンの運動量分解スペクトル関数を直接プローブするラマン分光法プロトコルを提案する。超強い結合状態で系を初期化し、調整可能なラマン遷移を用いることで、ロトン型の最小値を示すモラロン分散の初の実験的観測が可能となり、これはまだ観測されていないフルーデ＝フェラー＝ラリン＝オフチニコフ（FFLO）相の前身である。

ABSTRACT

An impurity interacting with an ultracold Fermi gas can form either a polaron state or a dressed molecular state in which the impurity forms a bound state with one gas particle. This molecular state features rich physics, including a first-order transition to the polaron state and a negative effective mass at small interactions. However, these features have remained so far experimentally inaccessible. In this work we show theoretically how the molecular state can be directly prepared experimentally even in its excited state using state-of-the-art cold atom Raman spectroscopy techniques. Initializing the system in the ultra-strong coupling limit, where the binding energy of the molaron is much larger than the Fermi energy, our protocol maps out the momentum-dependent spectral function of the molecule. Using a diagrammatic approach we furthermore show that the molecular spectral function serves as a direct precursor of the elusive Fulde-Ferell-Larkin-Ovchinnikov phase, which is realized for a finite density of fermionic impurity particles. Our results pave the way to a systematic understanding of how composite particles form in quantum many-body environments and provide a basis to develop new schemes for the observation of exotic phases of quantum many-body systems.

研究の動機と目的

• 超低温フェルミガス系におけるモラロンの運動量依存スペクトル関数を直接測定可能な分光法の開発を目的とする。
• トンネル効果や電子遷移といった単粒子プローブの限界により、長らく観測が困難であったモラロンのような複合準粒子を、実験的にプローブする課題を克服することを目的とする。
• モラロンの有限運動量励起スペクトルと、有限インポジション密度における非従来的FFLO超伝導相の出現との直接的関連を確立することを目的とする。
• 同じ相互作用強度でポラロンとモラロンの分岐を同時に観測可能とし、それらの遷移が一次相転移であるかを検証することを目的とする。
• 本手法をボーズポラロンなどの他の複合準粒子に拡張し、フェルミ面再構成やトポロジカル秩序を含む異常な多体相における役割を調査することを目的とする。

提案手法

• 初期に深く結合した分子状態を、可変なレーザー波数ベクトル $\mathbf{q}_L$ を用いたラマン励起分光法で多体連続状態に結合させる。
• 分子結合エネルギー $\epsilon_{B,in} \gg \epsilon_F$ となる超強い結合状態で系を初期化し、初期状態の多体ドレッシングが無視できるようにする。
• 図式的再結合法を用いてラマン応答関数 $\mathcal{R}(\omega, \mathbf{q}_L)$ を導出し、これがモラロングさ関数 $G^R_{\text{mol}}(\mathbf{q}_L, \omega)$ を直接マップすることを示す。
• ラマンスペクトルは $\mathcal{R}(\omega, \mathbf{q}_L) = -\frac{1}{\pi} \text{Im} \left[ f^{\mathbf{q}_L}(\omega) G^R_{\text{mol}}(\mathbf{q}_L, \omega) \right] + \text{連続体寄与}$ と表現され、$f^{\mathbf{q}_L}$ は構造因子であり、2番目の項はオープンチャネル過程を表す。
• 狭帯域のフェシュバッハ共鳴の場合、ラマンスペクトルは正確に分子スペクトル関数 $\mathcal{A}_{\text{mol}}$ と一致し、モラロン分散と寿命の直接測定が可能になる。
• 有限運動量におけるモラロン分散の最小値—ラマンスペクトルで観測される—は、広帯域共鳴の場合でさえも、FFLO相への不安定性の前身として機能することが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラマン分光法を用いて、超低温フェルミガス内のモラロンの運動量分解スペクトル関数を直接プローブできるか？
• RQ2 ラマン応答はモラロングさ関数とどのように関係し、どのようなスペクトル特徴を抽出できるか？
• RQ3 モラロン分散にはロトン型の最小値が現れるか？その意義はFFLO相の出現にどう寄与するか？
• RQ4 このプロトコルは、同じ相互作用強度でポラロンとモラロンの分岐を同時に解像可能であり、それらの間の一次相転移を検証できるか？
• RQ5 広帯域フェシュバッハ共鳴の存在下でも、ラマン応答はモラロンの有効質量と寿命にどれほど感応するか？

主な発見

• 可変レーザー運動量移動を用いることで、ラマン分光法プロトコルは、分散、寿命、有効質量を含む、運動量分解モラロンスペクトル関数への直接実験的アクセスを可能にする。
• 狭帯域フェシュバッハ共鳴の場合は、ラマンスペクトルが正確にモラロンスペクトル関数 $\mathcal{A}_{\text{mol}}$ を再現し、準粒子性質の明確な抽出が可能になる。
• プロトコルにより、有限運動量でロトン型の最小値を示すモラロン分散が明らかになり、これはFFLO相への不安定性の主要な兆候である。
• 広帯域フェシュバッハ共鳴の場合でも、ラマンスペクトルはモラロンスペクトル関数の定性的な特徴—位置と連続体への統合—を保持しており、僅かなスペクトル重み再分配を除いてほとんど変化しない。
• モラロンスペクトルにおける有限運動量最小値は、FFLO相への直接的前身であることが示され、量子インポジション物理学と非従来的超伝導の間の強固な関連を確立した。
• 本手法は頑健で一般化可能であり、ボーズポラロンや他の複合準粒子への応用が可能であり、質量不均衡な超低温ガスにおける多体束縛状態や異常な相の研究を可能にする。