[论文解读] Observation of universal Kibble-Zurek scaling in an atomic Fermi superfluid

Kyu‐Hwan Lee, Sol Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamicsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究通过将温度或相互作用强度通过超流相变点快速变化，在均匀、强相互作用的超冷费米气体中观测到普遍存在的基布尔-祖雷克标度。尽管凝聚体形成的时间尺度截然不同，两种淬火方案均得到相同的基布尔-祖雷克指数 0.68(2)，证实了由尺度不变性所支配的普遍临界动力学，并验证了超流体的祖雷克 gedanken 实验。

ABSTRACT

Half a century ago, T. Kibble proposed a scenario for topological defect formation from symmetry breaking during the expansion of the early Universe. W. Zurek later crystallized the concept to superfluid helium, predicting a power-law relation between the number of quantum vortices and the rate at which the system passes through the lambda transition. Here, we report the observation of Kibble-Zurek scaling in a homogeneous, strongly interacting Fermi gas undergoing a superfluid phase transition. We investigate the superfluid transition using two distinct control parameters: temperature and interaction strength. The microscopic physics of condensate formation is markedly different for the two quench parameters, signaled by their two orders of magnitude difference in the condensate formation timescale. However, regardless of the thermodynamic direction in which the system passes through a phase transition, the Kibble-Zurek exponent is identically observed to be about 0.68 and shows good agreement with theoretical predictions that describe superfluid phase transitions. This work demonstrates the gedanken experiment Zurek proposed for liquid helium that shares the same universality class with strongly interacting Fermi gases.

研究动机与目标

• 通过使用均匀、强相互作用的费米气体，检验基布尔-祖雷克标度在超流相变中的普遍性。
• 研究不同淬火参数（温度与相互作用强度）是否在微观动力学显著不同的情况下，仍产生相同的基布尔-祖雷克指数。
• 确认在弛豫时间较长的系统中，缺陷密度与淬火时间之间的预测幂律标度关系。
• 在可调谐的超冷原子系统中实现超流氦的祖雷克 gedanken 实验。
• 探讨尺度不变性与临界指数在非平衡量子相变中的作用。

提出的方法

• 通过温度和相互作用强度作为控制参数，使系统经历超流相变的淬火过程。
• 利用磁性 Feshbach 共振快速且精确地调节简并费米气体中的相互作用强度。
• 通过飞行时间成像测量平均量子涡旋数，以探测涡旋核心。
• 将涡旋数与淬火时间的拟合结果与幂律关系进行比较，以提取基布尔-祖雷克指数。
• 使用饱和时间 $ t_{\text{sat}} $（即当 $ N_{\text{v}} = 10 $ 时的时间）对淬火时间进行归一化，以实现不同淬火方案之间的数据收敛。
• 测量凝聚体分数，以比较不同淬火条件下序参量形成的时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用不同控制参数（温度与相互作用强度）驱动相同的超流相变时，基布尔-祖雷克标度指数是否保持普遍性？
• RQ2 温度淬火与相互作用淬火在凝聚体形成过程中的微观动力学有何不同？
• RQ3 在均匀、强相互作用的费米气体中，是否能实验观测到涡旋数与淬火时间之间的预测幂律标度关系？
• RQ4 有限尺寸效应和非均匀性（在超冷气体实验中常见）在多大程度上影响普遍 KZ 标度的观测？
• RQ5 基布尔-祖雷克指数是否与基于超流相变的临界指数 $ \nu $ 和 $ z $ 的理论预测一致？

主要发现

• 两种淬火方案（温度与相互作用）测得的基布尔-祖雷克指数均为 $ \alpha_{\text{KZ}} = 0.68(2) $，证实了普遍性。
• 尽管凝聚体形成时间尺度相差两个数量级，仍观测到相同的 KZ 指数，表明普遍临界动力学具有强鲁棒性。
• 缺陷饱和水平出现在 $ N_{\text{v}} \sim 10 $，在两种淬火类型中均一致，表明缺陷密度存在普遍极限。
• 在多个数量级的淬火时间范围内，涡旋数与淬火时间的幂律标度关系得到确认，且在使用 $ t_{\text{sat}} $ 归一化后实现极佳的数据收敛。
• 温度淬火下，凝聚体分数在 0.3 秒内降至 0.4 以下；而相互作用淬火仅在淬火时间快于 2 ms 时才出现类似下降，凸显了形成动力学的显著差异。
• 结果验证了祖雷克在液态 $^4$He 中的理论 gedanken 实验，且在具有长碰撞时间的可调谐超冷费米气体系统中得以实现。