[论文解读] Observation of Cooper Pairs in a Mesoscopic 2D Fermi Gas

Marvin Holten, Luca Bayha+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 7

一句话总结

本研究通过单粒子与自旋分辨动量成像，直接观测到介观二维超冷费米气体中的库珀对。通过将相互作用从非相互作用调制到弱吸引，作者在费米面上识别出对关联——表明存在类似BCS的配对；而更强的吸引力则导致费米海内部形成分子对，展示了在受控量子系统中从库珀对到分子形成的连续交叉。

ABSTRACT

Pairing is the fundamental requirement for fermionic superfluidity and superconductivity. To understand the mechanism behind pair formation is an ongoing challenge in the study of many strongly correlated fermionic systems. Cooper pairs are the key ingredient to BCS theory as the microscopic explanation of conventional superconductivity. They form between particles of opposite spin and momentum at the Fermi surface of the system. Here, we directly observe Cooper pairs in a mesoscopic two-dimensional Fermi gas. We apply an imaging scheme that enables us to extract the full in-situ momentum distribution of a strongly interacting Fermi gas with single particle and spin resolution. Our ultracold gas allows us to freely tune between a completely non-interacting, unpaired system and weak attractions, where we find Cooper pair correlations at the Fermi surface. When increasing the attractive interactions even further, the pairs gradually turn into deeply bound molecules breaking up the Fermi surface. Our mesoscopic system is closely related to the physics of nuclei, superconducting grains or quantum dots. With the precise control over interactions, particle number and potential landscape in our experiment, the observables we establish in this work provide a new approach to longstanding questions concerning not only such mesoscopic systems but also their connection to the macroscopic world.

研究动机与目标

• 直接观测介观二维费米气体中的库珀对关联，该系统中配对是超流性和超导性的核心。
• 研究当相互作用从非相互作用调制到强吸引时，动量空间中费米子配对关联的出现。
• 建立一种高保真度的成像技术，能够分辨少体量子系统中的单粒子与自旋分辨动量分布。
• 探测在可调粒子数、相互作用强度和势阱结构的系统中，从BCS型库珀对配对到分子配对的转变。
• 为研究受控的少体环境下BEC-BCS交叉与介观量子关联，提供一种新的实验平台。

提出的方法

• 采用二维谐振子势阱，制备12个费米原子（6个自旋向上，6个自旋向下）处于高保真度的闭壳基态。
• 结合光镊与二维光镊势阱，构建空间受限、可调的介观系统，通过磁场调节精确控制相互作用强度。
• 实施荧光成像方案，实现在自由膨胀后对单原子与自旋分辨动量分布的探测，检测保真度与量子气体显微镜相当。
• 通过提取两体密度关联函数 $\mathcal{C}^{(2)}(\bm{p}, -\bm{p})$ 来量化动量空间中的配对关联，其定义为四点关联函数的连通部分。
• 在弱耦合区域应用BCS理论，利用Bogoliubov变换与平均场配对隙 $\Delta = \sqrt{2E_{\text{F}}E_{\text{B}}}$ 计算预期的配对关联函数。
• 在强耦合区域，采用二维谐振子势阱中两体分子的试探波函数进行建模，引入短距离截断以消除小间距处的对数奇点，并通过四维傅里叶变换计算动量空间关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有单粒子与自旋分辨能力的介观二维费米气体中直接观测到库珀对关联？
• RQ2 当吸引力从弱到强增加时，配对关联如何演化？
• RQ3 在何种相互作用强度下，配对关联从费米面转移到费米海内部，表明从BCS到分子配对的转变？
• RQ4 在弱耦合极限下，观测到的关联在多大程度上与BCS理论预测一致？
• RQ5 该系统的行为与强耦合区域分子形成理论模型相比如何？

主要发现

• 在弱吸引区域，直接观测到费米面上的库珀对关联，证实了在少体系统中存在类似BCS的配对。
• 配对关联振幅随相互作用强度增加而上升至最大值，随后在系统向分子配对过渡时减小。
• 在强相互作用下，配对关联延伸至费米海内部，表明形成了紧密束缚的分子，而非库珀对。
• 测量得到的动量空间配对关联函数在弱耦合极限下与BCS理论预测高度一致，验证了该理论框架在少体体系中的适用性。
• 随着相互作用强度增加，系统表现出从BCS配对到分子配对的连续交叉，介观区域未观测到明显的相变点。
• 初始态温度极低，每粒子熵约为 $0.1\,k_{\text{B}}$，且热能增加会降低配对关联振幅，证实了量子相干性的关键作用。