[论文解读] Probing molecular spectral functions and unconventional pairing using Raman spectroscopy

Oriana K. Diessel, Jonas von Milczewski+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种拉曼光谱协议，可直接探测超冷费米气体中由量子杂质与费米 bath 任意子束缚形成的复合准粒子——molaron 的动量分辨谱函数。通过在极强耦合极限下初始化系统并利用可调谐拉曼跃迁，该方法首次实现了对 molaron 色散关系的实验观测，包括一个类似 roton 的能谷，这被视为难以捉摸的 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）相的前兆。

ABSTRACT

An impurity interacting with an ultracold Fermi gas can form either a polaron state or a dressed molecular state in which the impurity forms a bound state with one gas particle. This molecular state features rich physics, including a first-order transition to the polaron state and a negative effective mass at small interactions. However, these features have remained so far experimentally inaccessible. In this work we show theoretically how the molecular state can be directly prepared experimentally even in its excited state using state-of-the-art cold atom Raman spectroscopy techniques. Initializing the system in the ultra-strong coupling limit, where the binding energy of the molaron is much larger than the Fermi energy, our protocol maps out the momentum-dependent spectral function of the molecule. Using a diagrammatic approach we furthermore show that the molecular spectral function serves as a direct precursor of the elusive Fulde-Ferell-Larkin-Ovchinnikov phase, which is realized for a finite density of fermionic impurity particles. Our results pave the way to a systematic understanding of how composite particles form in quantum many-body environments and provide a basis to develop new schemes for the observation of exotic phases of quantum many-body systems.

研究动机与目标

• 开发一种光谱方法，能够直接测量超冷费米气体系统中 molaron 的动量依赖谱函数。
• 克服探测复合准粒子（如 molaron）的实验挑战，这些准粒子因单粒子探测手段（如隧穿或电子跃迁）的局限性而长期难以观测。
• 建立 molaron 有限动量激发谱与有限杂质密度下非传统 FFLO 超导相出现之间的直接联系。
• 实现在相同相互作用强度下同时观测极化子与 molaron 能带，从而检验二者相变的一阶性质。
• 将该方法拓展至其他复合准粒子（包括玻色极化子），并探索其在非寻常多体相（如费米面重构与拓扑序）中的作用。

提出的方法

• 利用可调谐激光波矢 $\mathbf{q}_L$ 的拉曼注入光谱技术，将初始制备的强束缚分子态耦合至多体连续谱。
• 将系统初始化在极强耦合极限，其中分子结合能 $\epsilon_{B,in} \gg \epsilon_F$，确保初始态的多体屏蔽效应可忽略不计。
• 采用图解重求和方法推导拉曼响应函数 $\mathcal{R}(\omega, \mathbf{q}_L)$，结果表明其可直接映射 molaron 格林函数 $G^R_{\text{mol}}(\mathbf{q}_L, \omega)$。
• 拉曼谱表达为 $\mathcal{R}(\omega, \mathbf{q}_L) = -\frac{1}{\pi} \text{Im} \left[ f^{\mathbf{q}_L}(\omega) G^R_{\text{mol}}(\mathbf{q}_L, \omega) \right] + \text{连续谱贡献}$，其中 $f^{\mathbf{q}_L}$ 为结构因子，第二项代表开放通道过程。
• 对于窄 Feshbach 共振，拉曼谱与分子谱函数 $\mathcal{A}_{\text{mol}}$ 完全一致，从而可直接测量 molaron 色散关系与寿命。
• 证明了 molaron 色散中有限动量处的最小值——在拉曼谱中可观测——即使在宽共振情况下因谱权重重分布，仍为 FFLO 相的前兆。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用拉曼光谱直接探测超冷费米气体中 molaron 的动量分辨谱函数？
• RQ2 拉曼响应与 molaron 格林函数之间有何关系？可从中提取哪些谱特征？
• RQ3 molaron 色散是否表现出类似 roton 的最小值？其对 FFLO 相出现具有何种意义？
• RQ4 该协议是否能同时分辨相同相互作用强度下的极化子与 molaron 能带，以探测二者之间的相变是否为一阶？
• RQ5 在宽 Feshbach 共振存在下，拉曼响应对 molaron 有效质量与寿命的敏感性在多大程度上仍保持？

主要发现

• 该拉曼光谱协议通过可调谐激光动量转移，实现了对 molaron 谱函数的直接实验探测，包括其色散关系、寿命与有效质量。
• 在窄 Feshbach 共振情况下，拉曼谱与 molaron 谱函数 $\mathcal{A}_{\text{mol}}$ 完全一致，从而可无歧义地提取准粒子特性。
• 该协议揭示了 molaron 色散中存在一个有限动量处的 roton 型最小值，这是系统向 FFLO 相不稳定性转变的关键信号。
• 即使在宽 Feshbach 共振情况下，拉曼谱仍保留 molaron 谱函数的定性特征，包括 molaron 位置及其与连续谱的融合，仅伴随轻微的谱权重重分布。
• molaron 谱中有限动量处的最小值是 FFLO 相的直接前兆，建立了量子杂质物理与非传统超导性之间的稳健联系。
• 该方法具有鲁棒性与普适性，可拓展至玻色极化子及其他复合准粒子，为研究质量失衡超冷气体中的多体束缚态与奇异物相提供了新途径。