[论文解读] $η$ Pairing of Light-Emitting Fermions: Nonequilibrium Pairing Mechanism at High Temperatures

Masaya Nakagawa, Naoto Tsuji+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通过自发辐射实现超冷费米原子中 $η$-配对的非平衡机制，其中泡利不相容原理与干涉相消保护费米子对免于衰变。显著的是，即使从无限温度初始态出发，相干 $η$-配对态也能形成，从而实现由耗散动力学而非热平衡稳定的高温超流性。

ABSTRACT

Strongly interacting fermionic atoms are shown to develop $η$-pairing superfluid correlations in a nonequilibrium steady state in the presence of spontaneous emission of light from atoms. On the basis of the Hubbard model subject to spontaneous decay between internal spin states, we show that prohibition of radiative decay due to the Pauli exclusion principle and destructive interference between doublon-decay processes lead to nonequilibrium $η$ pairing. Because of the non-thermal nature of the steady state, pair correlations arise even from a completely uncorrelated infinite-temperature initial state, allowing coherent atom pairs to be formed at high temperatures. Experimental implementation with fermionic atoms in an optical lattice is discussed.

研究动机与目标

• 证明 $η$-配对超流性可在由费米原子自发辐射光子驱动的非平衡稳态中稳定存在。
• 识别双重保护机制——泡利不相容原理与干涉相消——以防止辐射过程中双占据对的衰变。
• 表明即使从无关联的无限温度初始态出发，相干 $η$-配对态仍可形成，突破了传统BCS型配对的限制。
• 提出一种可行的实验实现方案，利用光学晶格中的碱土金属类费米原子，并通过动量分布测量实现可观测信号。

提出的方法

• 研究采用广义量子主方程，结合非厄米Lindblad算符，以模拟费米-Hubbard系统中自旋向上到自旋向下的自发辐射过程。
• 模型引入了原子能级的Λ型结构，其中跃迁至基态通过中间激发态介导，从而实现相干耦合与光子发射。
• 理论分析表明，局域双占据态受泡利不相容原理保护，防止已占据位点发生单粒子辐射衰变。
• 双占据态不同衰变路径之间的完全相消干涉抑制了其解体，使 $η$-配对态成为稳定态。
• 数值模拟采用量子轨迹方法求解主方程，追踪对关联、双占据密度及动量分布的时间演化。
• 系统初始化为双占据密度波态，以研究耗散动力学下 $η$-配对的形成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在费米-Hubbard系统中，$η$-配对超流性是否可在由自发辐射光子驱动的非平衡稳态中稳定存在？
• RQ2 在耗散存在的情况下，哪些量子多体机制可保护 $η$-配对态免于辐射衰变？
• RQ3 由于耗散导致的熵减小，$η$-配对是否可从无限温度初始态中形成？
• RQ4 当存在可能破坏相干性的退相干过程时，$η$-配对的形成有多强的鲁棒性？
• RQ5 在超冷原子系统中，可采用哪些实验信号检测 $η$-配对？

主要发现

• $η$-配对态即使从无限温度初始态出发，也能通过自发辐射导致的熵减小而形成非平衡稳态。
• 泡利不相容原理防止局域双占据态发生衰变，为辐射衰变提供第一重保护。
• 双占据态不同衰变路径之间的完全相消干涉阻止了配对解体，确保了 $η$-配对态的长寿命相干性。
• 对关联在广泛的相互作用强度 $U$ 和自发辐射率 $γ$ 范围内保持鲁棒，表明参数区域具有广泛稳定性。
• 退相干过程的速率 $\gamma_d$ 会以时间尺度 $1/\gamma_d$ 降低对关联，但只要 $\gamma_d \ll \gamma, t$，$η$-配对仍可被观测到。
• 动量分布测量在 $k = \pm\pi$ 处显示出清晰峰，即使在中等退相干条件下，也可作为 $η$-配对形成的可观测信号。