[论文解读] Optical Control of Exchange Interaction and Kondo Temperature in cold Atom Gas

Igor Kuzmenko, Tanya Kuzmenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 4被引用 3

一句话总结

该论文通过可调谐激光强度，在超冷 173Yb 原子体系中实现了对交换相互作用和 Kondo 温度的光学调控，其中激光强度可调节巡游态 1S0 与局域态 3P0 原子之间交换耦合的符号与强度。随着光强增加，相互作用由铁磁性转变为反铁磁性，从而在单重态 Feshbach 共振附近实现 Kondo 效应，表现为 Kondo 温度的急剧上升，该结果通过散射长度和 T_K 的解析与数值计算得到验证。

ABSTRACT

The relevance of magnetic impurity problems in cold atom systems depends crucially on the nature of exchange interaction between itinerant fermionic atoms and a localized impurity atom. In particular, Kondo physics occurs only if the exchange interaction is anti-ferromagnetic, and strong enough to yield high enough Kondo temperature ($T_K/T_F \ge 0.1$). Focusing, as an example, on the experimentally accessible system of ultra-cold $^{173}$Yb atoms, it is shown that the sign and strength of an exchange interaction between an itinerant Yb($^{1}$S$_{0}$) atom and a trapped Yb($^{3}$P$_{0}$) atom can be optically controlled. Explicitly, as the light intensity increases (from zero), the exchange interaction changes from ferromagnetic to anti-ferromagnetic. When the light intensity is just below a singlet Feshbach resonance, the singlet scattering length $a_S$ is large and negative, and the Kondo temperature increases sharply.

研究动机与目标

• 通过超冷 173Yb 原子实现对量子杂质体系中交换相互作用的光学调控。
• 确定交换相互作用转变为反铁磁性的条件，这是实现 Kondo 效应的前提。
• 通过散射长度调控，计算并分析 Kondo 温度 T_K 与激光强度的依赖关系。
• 更正文献中关于无激光场时存在反铁磁交换相互作用的先前错误。
• 建立一个可行的平台，用于通过光学控制研究冷原子体系中的 Kondo 物理及相关奇异现象。

提出的方法

• 体系采用 173Yb 原子的 1S0（巡游态）和 3P0（局域态）态，二者均具有自旋 F=5/2，从而实现 SU(6) 对称的 Kondo 物理。
• 激光束产生状态依赖的光学势阱，将 3P0 原子捕获，而 1S0 原子则在浅方形阱中形成简并费米气体。
• 交换相互作用通过有效哈密顿量形式推导，基于散射矩阵，耦合项以单重态（a_S）和三重态（a_T）散射长度表示。
• 通过调节激光强度，改变势阱深度 V_0，从而通过光学 Feshbach 共振机制调控 a_S 和 a_T，实现对交换相互作用符号与大小的控制。
• Kondo 温度 T_K 使用标准 Kondo 模型计算：T_K = D_0 exp(-1/(6 g_exch ρ(ε_F)))，其中 D_0 = 2ħΩ_e / k_B，ρ(ε_F) 为费米能级处的态密度。
• 数值结果通过求解耦道薛定谔方程得到 a_S(V_0) 和 a_T(V_0)，并在 a_T > a_S 的区域计算 T_K。

实验结果

研究问题

• RQ1 在冷原子体系中，巡游与局域费米原子之间的交换相互作用符号能否通过光学手段调控？
• RQ2 在散射长度可调的体系中，Kondo 温度 T_K 如何随激光强度变化？
• RQ3 在何种激光强度下，交换相互作用由铁磁性转变为反铁磁性，从而实现 Kondo 效应？
• RQ4 在光学 Feshbach 共振附近，Kondo 温度的定量行为如何，特别是当单重态散射长度趋近于 -∞ 时？
• RQ5 该光学控制机制是否为在超冷 173Yb 气体中实现鲁棒且实验可行的 SU(6) 对称 Kondo 物理提供了有效途径？

主要发现

• 随着激光强度（与 V_0 成正比）从零增加，1S0 与 3P0 173Yb 原子之间的交换相互作用由铁磁性转变为反铁磁性。
• 当单重态散射长度 a_S 小于三重态散射长度 a_T 时发生转变，该条件出现在单重态 Feshbach 共振附近。
• 当系统接近 Feshbach 共振时，Kondo 温度 T_K 急剧上升，这是由于有效交换耦合发散所致，尤其在 a_S → -∞ 时。
• 对于 ε_F / k_B = 100 nK，T_K 达到显著高于 T_K / T_F ≥ 0.1 的观测阈值，证实了该效应的可行性。
• 临界势阱深度 V_c 将 Kondo 效应缺失的区域（a_S > a_T，图 3 中的红色区域）与 Kondo 效应存在的区域（a_S < a_T，蓝色区域）分隔开来。
• 本研究更正了文献 [IK-TK-YA-GBJ-PRB-16] 中关于无激光场时存在反铁磁交换相互作用的错误主张，表明此类交换相互作用仅由光学控制诱导产生。