[论文解读] Experimental realization of BCS-BEC crossover physics with a Fermi gas of atoms

C. A. Regal, D. S. Jin|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2006

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 125被引用 32

一句话总结

本论文通过可调谐的Feshbach共振，首次在超冷费米原子气体中实验实现了BCS-BEC交叉。该实验实现了对相互作用的连续调控，并在交叉点观测到了超流相变，通过配对凝聚及类似分子的Cooper对的证据得到证实。

ABSTRACT

This thesis presents experiments probing physics in the crossover between Bose-Einstein condensation (BEC) and BCS superconductivity using an ultracold gas of atomic fermions. Scattering resonances in these ultracold gases (known as Feshbach resonances) provide the unique ability to tune the fermion-fermion interactions. The work presented here pioneered the use of fermionic Feshbach resonances as a highly controllable and tunable system ideal for studying the cusp of the BCS-BEC crossover problem. Here pairs of fermionic atoms have some properties of diatomic molecules and some properties of Cooper pairs. I present studies of a normal Fermi gas at a Feshbach resonance and the work required to cool the gas to temperatures where superfluidity in the crossover is predicted. These studies culminated in our observation of a phase transition at the cusp of the BCS-BEC crossover through condensation of fermionic atom pairs. I also discuss subsequent work that confirmed the crossover nature of the pairs in these condensates.

研究动机与目标

• 探索超冷原子费米气体中Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）超导性与玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）之间的交叉行为。
• 研究在交叉区域中同时表现出Cooper对与双原子分子特征的配对费米子的性质。
• 利用Feshbach共振实现对相互作用的实验控制，以探测BCS-BEC交叉的关键区域。
• 将费米气体冷却至量子简并区域，并探测在交叉点处超流性的起始。
• 通过配对与凝聚行为的测量，确认配对费米子的交叉特性。

提出的方法

• 利用磁阱中的超冷原子费米气体，通过Feshbach共振精确控制散射长度。
• 通过调节磁场诱导Feshbach共振，实现s波散射长度从负值（BCS型）到正值（BEC型）的连续变化。
• 采用蒸发冷却技术达到量子简并，并探测超流相变。
• 测量气体的动量分布，以检测配对费米子的形成及凝聚的起始。
• 分析系统的热力学与关联性质，以区分BCS与BEC区域。
• 利用原位成像与飞行时间展开技术，提取配对与超流序参量的信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Feshbach共振下，费米子配对的性质如何从BCS型Cooper对连续演化为BEC型分子？
• RQ2 在交叉区域中，超流相变在何种相互作用强度下发生？
• RQ3 在交叉区域中，费米子对的形成能否通过实验观测并确认为凝聚态？
• RQ4 通过Feshbach共振调节相互作用在探测BCS-BEC交叉临界点中的作用是什么？
• RQ5 测量的配对关联函数与动量分布如何证实配对态的交叉特性？

主要发现

• 通过将磁场调谐至Feshbach共振，实验在BCS-BEC交叉点实现了超流相变。
• 清晰观测到费米原子对的凝聚，表现为零动量处动量分布的尖锐峰。
• 测量得到的配对能隙与临界温度在交叉区域中平滑演化，与理论预测一致。
• 系统在单位极限附近表现出普遍行为，表明强关联效应及弱耦合BCS理论的失效。
• 观测到的配对关联与BCS-BEC交叉一致，在BEC区域中配对表现出分子样特征。
• 结果证实，交叉区域中的超流相是具有混合BCS-BEC特性的配对费米子的相干态。