[论文解读] Optical conductivity of a quantum gas

Rhys Anderson, Fudong Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本研究通过调制光阱势并观察原子电流响应，利用周期性力测量了立方光晶格中超冷费米原子量子气体的光学电导率。基于线性响应理论与弛豫时间近似，作者提取了交流电导率与输运时间，建立了冷原子实验与凝聚态材料电导率测量之间的直接联系。

ABSTRACT

We measure the conductivity of neutral fermions in a cubic lattice. A uniform force is applied at a single frequency by periodic displacement of the trapping potential, and the current response is observed though the global displacement of atoms. In the linear response regime, the steady-state ratio between current and force gives the ac conductivity. The tensor properties of the conductivity reveal temporal and spatial symmetries of the sample. Similarly to optical conductivity commonly measured in materials with reflectivity, exact sum rules relate dynamical measurements to thermodynamic properties. We explore the effect of lattice depth, temperature, interaction strength, and atom number on conductivity. Using a relaxation-time approximation, we extract the transport time of current. Our work enables a direct comparison between cold-atom experiments and conductivity studies of materials.

研究动机与目标

• 测量立方光晶格中中性费米子量子气体的交流光学电导率。
• 利用超冷原子建立固体材料光学电导率测量的直接实验类比。
• 探究晶格深度、温度、相互作用强度及原子数对输运性质的影响。
• 通过弛豫时间近似提取输运时间，并将其与动力学响应关联。
• 验证电导率中的精确求和规则与张量对称性，将动力学行为与热力学及对称性性质联系起来。

提出的方法

• 通过在单一频率下调制光晶格势，对量子气体施加均匀的时间周期性力。
• 通过飞行时间成像测量由此产生的全局原子电流，以确定稳态电流响应。
• 利用线性响应理论，通过电流与外力之比提取交流电导率。
• 分析电导率的张量结构，以推断系统的时空对称性。
• 采用弛豫时间近似建模电流衰减，并提取输运时间。
• 系统性地改变晶格深度、温度、相互作用强度及原子数，以探究其对电导率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 中性费米子量子气体在立方晶格中的光学电导率与固体材料相比如何？
• RQ2 交流电导率如何依赖于晶格深度、温度、相互作用强度及原子数？
• RQ3 电导率的张量分量如何反映系统的内在对称性？
• RQ4 电导率的精确求和规则在该超冷原子系统中在多大程度上成立？
• RQ5 所提取的输运时间是多少？其随系统参数如何变化？

主要发现

• 测量得到的交流电导率表现出与线性响应理论一致的明显频率依赖行为。
• 电导率的张量结构揭示了系统的时间反演对称性与空间对称性。
• 在超冷原子系统中验证了光学电导率的精确求和规则，将动力学响应与热力学性质联系起来。
• 通过弛豫时间近似提取了输运时间，其表现出对晶格深度与温度的依赖性。
• 电导率对相互作用强度与原子数敏感，在较高相互作用强度下表现出可测量的抑制。
• 实验装置实现了冷原子系统与传统材料在光学电导率研究中的直接定量对比。