[论文解读] Fermionic Superfluidity with Imbalanced Spin Populations and the Quantum Phase Transition to the Normal State

Martin W. Zwierlein, André Schirotzek+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2005

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

该论文通过实验测绘了超冷⁶Li费米气体在自旋子能级不平衡情况下的超流相变，表明尽管存在自旋子能级不平衡，超流性在单位归一化附近依然保持稳定。通过在旋转原子云中诱导涡旋并测量成对凝聚分数，作者确定了向正常态的量子相变临界点，其自旋子能级不平衡为δc ≈ 70(3)%，与泡利极限一致，表明当化学势差超过配对能隙时超流性发生破坏。

ABSTRACT

Whether it occurs in superconductors, helium-3 or inside a neutron star, fermionic superfluidity requires pairing of fermions, particles with half-integer spin. For an equal mixture of two states of fermions ("spin up" and "spin down"), pairing can be complete and the entire system will become superfluid. When the two populations of fermions are unequal, not every particle can find a partner. Will the system nevertheless stay superfluid? Here we study this intriguing question in an unequal mixture of strongly interacting ultracold fermionic atoms. The superfluid region vs population imbalance is mapped out by employing two complementary indicators: The presence or absence of vortices in a rotating mixture, as well as the fraction of condensed fermion pairs in the gas. Due to the strong interactions near a Feshbach resonance, the superfluid state is remarkably stable in response to population imbalance. The final breakdown of superfluidity marks a new quantum phase transition, the Pauli limit of superfluidity.

研究动机与目标

• 研究强相互作用超冷费米气体在自旋子能级不等时超流性的稳定性。
• 实验测定超流性崩溃的临界自旋子能级不平衡，标志着量子相变的发生。
• 利用涡旋形成和成对凝聚分数两种互补指标，探究单位归一化区域中从超流到正常态的相变本质。
• 在一个无磁场干扰的清洁可调系统中，检验理论预测的泡利极限。
• 探索强关联费米气体中，超流性、自旋子能级不平衡与相互作用强度之间的相互作用。

提出的方法

• 采用旋转势阱诱导涡旋形成，作为自旋子能级不平衡混合物中超流性的直接标志。
• 通过飞行时间膨胀和动量分布分析测量成对费米子的凝聚分数。
• 利用Feshbach共振调节相互作用强度，以探索从BEC到BCS的交叉区域。
• 在谐振势阱中调节自旋向上与自旋向下的⁶Li原子之间的自旋子能级不平衡，以绘制超流相边界。
• 通过温度依赖性测量确认临界不平衡度随温度变化微弱，表明相变接近零温量子相变行为。
• 将实验结果与蒙特卡罗模拟和理论模型进行比较，特别是δμ ≈ 2Δ为破坏点的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强相互作用超冷费米气体中，超流性在何种最大自旋子能级不平衡下仍能维持？
• RQ2 在自旋子能级不平衡下，超流相边界在BEC-BCS交叉区域如何演化？
• RQ3 当自旋子能级不平衡时，从超流到正常态的量子相变本质是什么？
• RQ4 超流性崩溃的临界不平衡度是否与理论预测的泡利极限δμ ≈ 2Δ一致？
• RQ5 涡旋形成与成对凝聚分数在自旋不平衡费米混合物中为何可作为超流性的可靠指标？

主要发现

• 测得超流性崩溃的临界自旋子能级不平衡为δc ≈ 70(3)%，对应谐振势阱中费米能差δEF ≈ 0.53(3)EF。
• 在单位归一化附近，超流性保持稳定，由于强配对关联，超流区域可延伸至大自旋子能级不平衡。
• 在相变点附近，涡旋形成显著受抑制，标志正常态的出现，证实了量子相变的发生。
• 随着自旋子能级不平衡增加，凝聚分数下降，并在大不对称性时完全消失，表明少数组分中库珀对的丧失。
• 临界不平衡度表现出微弱的温度依赖性，表明相变发生在零温，且主要由量子涨落主导。
• 实验结果与蒙特卡罗预测一致，即当δμ ≈ 2.0(1)Δ时超流性崩溃，支持泡利极限作为正确理论描述。