[论文解读] A molecular Bose-Einstein condensate emerges from a Fermi sea

Markus Greiner, C. A. Regal+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2003

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 29被引用 4

一句话总结

本论文通过在40K原子的量子简并费米气体中，沿Feshbach共振缓慢扫过磁场，首次实验实现了分子玻色-爱instein凝聚态（BEC）。从T/T_F < 0.17的简并费米海出发，通过Feshbach共振将费米原子转化为弱束缚分子，无需主动冷却即可直接形成分子BEC，证实了超冷费米气体中BCS-BEC交叉区域的存在。

ABSTRACT

The realization of fermionic superfluidity in a dilute gas of atoms, analogous to superconductivity in metals, is a long-standing goal of ultracold gas research. Beyond being a new example of this fascinating quantum phenomenon, fermionic superfluidity in an atomic gas holds the promise of adjustable interactions and the ability to tune continuously from BCS-type superfluidity to Bose-Einstein condensation (BEC). This crossover between BCS superfluidity of correlated atom pairs in momentum space and BEC of local pairs has long been of theoretical interest, motivated in part by the discovery of high Tc superconductors. In atomic Fermi gas experiments superfluidity has not yet been demonstrated; however recent experiments have made remarkable progress toward this goal. Starting from an ultracold Fermi gas experimenters have used Feshbach resonances to reversibly create molecules, i.e. composite bosons consisting of local fermion pairs. Furthermore, the experiments have shown that the resulting diatomic molecules can have surprisingly long lifetimes. Here we report the conversion of a Fermi sea of atoms into a molecular BEC. In addition to being the first molecular condensate in thermal equilibrium, this BEC represents one extreme of the predicted BCS-BEC continuum.

研究动机与目标

• 通过超冷原子的量子简并费米气体实验实现分子玻色-爱instein凝聚态（BEC）。
• 通过调节Feshbach共振的相互作用，演示从BCS型超流到分子BEC的连续交叉。
• 在不进行主动冷却的情况下，仅依靠跨Feshbach共振的绝热演化，观测BEC的形成。
• 研究强相互作用费米子对在BEC极限下的热力学与多体行为。
• 确定从费米海中形成分子BEC的条件，特别是临界初始温度T/T_F ≈ 0.17。

提出的方法

• 在单束光镊势阱中对40K原子气体进行蒸发冷却，实现量子简并，使T/T_F低至0.04。
• 利用B₀ = 202.1 G处的Feshbach共振，通过磁场扫掠将原子间相互作用从吸引性调制为排斥性。
• 执行缓慢的绝热磁场扫掠（7–10 ms），从B = 202.78 G扫至B = 201.54–201.67 G，将原子转化为弱束缚分子。
• 通过飞行时间吸收成像测量所得分子云，提取动量分布与凝聚态分数。
• 将飞行时间图像拟合为双模分布，以确定热成分的凝聚态分数与温度。
• 假设理想气体行为估算熵，评估原子与分子之间的熵守恒与热化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能仅通过跨Feshbach共振的绝热演化，从费米海直接形成分子BEC，而无需主动冷却？
• RQ2 该系统中形成分子BEC所需的临界初始温度T/T_F是多少？
• RQ3 Feshbach扫掠过程中系统的熵如何演化？是否与绝热性一致？
• RQ4 扫掠后，分子与剩余原子在热平衡方面达到何种程度？
• RQ5 所形成分子BEC的峰值密度是多少？与强相互作用系统的理论预测相比如何？

主要发现

• 当初始费米气体温度低于T/T_F = 0.17时，观测到分子BEC，最终态中测量到12%的凝聚态分数。
• BEC在磁场扫掠过程中自发形成，无需对分子样品进行主动冷却，表明系统通过BCS-BEC交叉区域实现了绝热演化。
• 外推至散射长度为零时的膨胀能量接近于零，证实了强相互作用下BEC的存在。
• 分子凝聚态的峰值密度确定为n_pk = 7 × 10^12 cm⁻³，与强相互作用一致。
• 扫掠后系统熵略有增加（约40%），支持绝热性与熵守恒。
• 反转磁场扫掠使系统温度升高27 ± 7 nK，表明该过程近乎可逆，系统保持在相干量子态中。