[论文解读] Optomechanical Response of a Strongly Interacting Fermi Gas

Victor Helson, Timo Zwettler+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 36被引用 1

一句话总结

本研究在强相互作用的超冷费米气体与高精细度光学腔耦合系统中，展示了显著的光机克尔非线性，该非线性源于气体对腔场密度响应的贡献。从巴丁-库珀-施里弗（Bardeen-Cooper-Schrieffer, BCS）到玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate, BEC）区域，零频密度响应函数增加了两倍，其定量解释基于算符乘积展开（operator product expansion, OPE），该展开将响应与普遍热力学量（如接触和内能）联系起来。

ABSTRACT

We study a Fermi gas with strong, tunable interactions dispersively coupled to a high-finesse cavity. Upon probing the system along the cavity axis, we observe a strong optomechanical Kerr nonlinearity originating from the density response of the gas to the intracavity field and measure it as a function of interaction strength. We find that the zero-frequency density response function of the Fermi gas increases by a factor of two from the Bardeen-Cooper-Schrieffer to the Bose-Einstein condensate regime. The results are in quantitative agreement with a theory based on operator-product expansion, expressing the density response in terms of universal functions of the interactions, the contact and the internal energy of the gas. This provides an example of a driven-dissipative, strongly correlated system with a strong nonlinear response, opening up perspectives for the sensing of weak perturbations or inducing long-range interactions in Fermi gases.

研究动机与目标

• 研究强相互作用费米气体在高精细度腔中的光机响应特性。
• 测量由气体密度响应引起的光机克尔非线性的相互作用强度依赖性。
• 检验非线性响应是否可由普遍多体参数（如接触和内能）进行定量描述。
• 建立驱动-耗散、强关联量子系统与普遍响应函数之间的联系。

提出的方法

• 通过驻波光场实现费米气体与高精细度光学腔的非共振耦合，利用腔模探测集体密度响应。
• 使用弱探测激光测量腔透射谱，观测到在较高腔内光强下呈现非对称线型，表明存在克尔非线性。
• 测量腔共振频率随探测光强的变化，以提取有效非线性参数。
• 应用算符乘积展开（OPE）将静态密度响应函数表达为普遍热力学量（接触和内能）的函数。
• 将实验数据与基于OPE的理论预测进行比较，验证非线性响应的定量描述。
• 利用Feshbach共振调节相互作用强度，实现BCS-BEC交叉区域的系统调控，以研究响应的相互作用依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 强相互作用费米气体的光机克尔非线性如何随BCS-BEC交叉区域的相互作用强度变化？
• RQ2 费米气体的非线性响应是否可由普遍多体参数（如接触和内能）进行定量描述？
• RQ3 在强关联区域，费米气体的零频密度响应函数是否表现出普遍标度行为？
• RQ4 尽管存在强关联和反馈作用，该系统的驱动-耗散非线性响应在多大程度上仍由少数几个普遍参数主导？

主要发现

• 强相互作用费米气体的零频密度响应函数从巴丁-库珀-施里弗（Bardeen-Cooper-Schrieffer, BCS）区域到玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate, BEC）区域增加了两倍。
• 实验测得的光机克尔非线性与基于静态密度响应函数算符乘积展开（OPE）的理论预测定量一致。
• 基于OPE的理论仅通过两个普遍热力学量——接触和气体内能——即成功描述了非线性响应。
• 观测到的非线性具有鲁棒性，并贯穿整个BCS-BEC交叉区域，表明在强关联区域存在普遍行为。
• 结果表明，即使在强反馈作用下，驱动-耗散的强关联量子系统仍可由一组少量普遍参数有效描述。
• 该实验系统为通过光机耦合探测微弱扰动或诱导超冷费米气体中的长程相互作用提供了平台。