[論文レビュー] Speckle Imaging of Spin Fluctuations in a Strongly Interacting Fermi Gas

Christian Sanner, Edward Su+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 9, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、BEC-BCS遷移領域をまたいで強い相互作用を示す超低温フェルミガスにおけるスピンおよび密度揺動を測定する高感度な手法としてスペーキルイメージングを導入する。非共鳴光による位相シフトの空間的変動を分析することで、スピン感受率および圧縮率を直接測定可能であり、対形成に起因するノイズ下限以下の10倍のスピン揺動の抑制を明らかにした。この手法は、光学格子における磁気相への応用が可能である。

ABSTRACT

Spin fluctuations and density fluctuations are studied for a two-component gas of strongly interacting fermions along the BEC-BCS crossover. This is done by in-situ imaging of dispersive speckle patterns. Compressibility and magnetic susceptibility are determined from the measured fluctuations. This new sensitive method easily resolves a tenfold suppression of spin fluctuations below shot noise due to pairing, and can be applied to novel magnetic phases in optical lattices.

研究の動機と目的

• 強相関する超低温フェルミガスにおけるスピンおよび密度揺動を測定する新規で高感度な手法の開発を目的とする。
• スペーキルイメージングによる揺動測定を用いて、スピン感受率および圧縮率といった熱力学的応答関数を特徴付けることを目的とする。
• BEC-BCS遷移領域全域における対形成および磁気相関の効果を調査することを目的とする。
• 本手法を、擬似ギャップおよび超流動領域を含む光学格子における新しい磁気相の検出に応用可能とする。
• 粒子数不均衡を必要としない、モデルに依存しない絶対的温度計測法を、局所的揺動に基づいて提供することを目的とする。

提案手法

• スペーキルイメージングを用いて、原子クラウド内のスピンおよび密度揺動によって引き起こされる非共鳴光の空間的変動する位相シフトを検出する。
• 伝搬効果を活用する：発散が分散的（位相）信号を振幅対比に変換し、位相プレートやフーリエ光学を必要としない。
• スペーキルの強度パターンからスピン成分の相対的密度揺動を抽出し、スピン感受率および圧縮率を決定する。
• この手法は、測定された揺動と熱力学的応答関数との間のフラクチュアーション・ドレッシング定理に依存する。
• 非相互作用フェルミガスを用いたキャリブレーションにより、測定ノイズと物理的応答関数との比例定数を抽出する。
• ポisson的位相ノイズのシミュレーションを用いて伝搬効果を補正し、短い発散距離後には振幅ノイズと位相ノイズが等しく分配されることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペーキルイメージングは、強い相互作用を示すフェルミガスにおいて、高い感度でスピン揺動を測定可能か？
• RQ2 BEC-BCS遷移領域全域で、特に対形成の存在下において、スピン揺動および感受率はどのように変化するか？
• RQ3 対形成に起因して、スピン揺動はどの程度ノイズ下限以下に抑制され、定量的に測定可能か？
• RQ4 本手法を用いて、光学格子内の超低温原子系における磁気秩序や擬似ギャップ現象を検出可能か？
• RQ5 量子揺動と熱揺動はスピン感受率にどのように寄与し、どの温度で量子揺動が支配的になるか？

主な発見

• 本手法は、高い感度でスピン感受率および圧縮率を測定でき、対形成に起因するノイズ下限以下の10倍のスピン揺動の抑制を検出できた。
• ユニタリティ点およびBEC領域でスピン感受率が強く抑制され、コープアー対または分子の形成と整合的であり、分子凝縮体のボソン的性質に起因して圧縮率が増加した。
• 超流動転移温度より高い領域（915Gおよび1000G）では、スピン感受率が非相互作用値を下回り続け、正常相においても持続的な対相関が存在することを示した。
• 測定された凝縮分率は相互作用強度に応じて増加し、シグモイド的傾向を示し、BCS対形成と整合的であり、フィットにより滑らかな遷移が示された。
• $k_F a$に関する摂動論は、正常相における感受率および圧縮率の定性的な傾向を捉えていたが、強い相互作用領域ではその有効範囲外であった。
• 本手法により、応答関数と揺動を比較することで、モデルに依存しない温度計測が可能となり、不均衡を必要としない堅牢な代替手法を提供した。