[论文解读] Sound propagation in a Bose-Fermi mixture: from weak to strong interactions

Krutik Patel, Geyue Cai+2 more|PubMed|May 28, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本研究通过超冷铯-133和锂原子，利用Feshbach共振调节超冷原子间的相互作用，探究了量子简并的玻色-费米混合物中的声波传播。在中等吸引力下观察到声模式软化，随后在共振强吸引力下出人意料地重新出现稳定的声波——这一现象挑战了微扰理论的预测，为研究强关联玻色-费米系统中的新型量子物态开辟了新途径。

ABSTRACT

Particlelike excitations, or quasiparticles, emerging from interacting fermionic and bosonic quantum fields underlie many intriguing quantum phenomena in high energy and condensed matter systems. Computation of the properties of these excitations is frequently intractable in the strong interaction regime. Quantum degenerate Bose-Fermi mixtures offer promising prospects to elucidate the physics of such quasiparticles. In this work, we investigate phonon propagation in an atomic Bose-Einstein condensate immersed in a degenerate Fermi gas with interspecies scattering length a_{BF} tuned by a Feshbach resonance. We observe sound mode softening with moderate attractive interactions. For even greater attraction, surprisingly, stable sound propagation reemerges and persists across the resonance. The stability of phonons with resonant interactions opens up opportunities to investigate novel Bose-Fermi liquids and fermionic pairing in the strong interaction regime.

研究动机与目标

• 研究从弱相互作用到强相互作用区域中，与简并费米气体耦合的玻色-爱斯坦凝聚体（BEC）中准粒子激发的行为。
• 探究费米子介导的相互作用如何影响量子简并混合物中声速与稳定性。
• 检验在吸引力子系统间相互作用存在时，声子软化与不稳定性理论预测的正确性。
• 确定在强关联条件下，稳定声波传播持续存在的条件，从而为新型量子模拟提供可能。

提出的方法

• 通过激光束在葱形结构的铯-133 BEC中局部产生密度耗尽，实现对密度波的光学激发。
• 通过在不同保持时间下进行原位成像测量BEC，获取密度波的传播速度与阻尼率。
• 利用Feshbach共振调节子系统间散射长度 $ a_{ ext{BF}} $，实现从弱吸引到强吸引的相互作用调控。
• 采用包含声子-费米子耦合 $ g_k $ 的平均场哈密顿量，其中 $ g_k ightarrow g_{ ext{BF}} $，以模拟系统的有效动力学。
• 应用一种改进的流体动力学模型，引入费米子屏蔽效应与密度依赖性修正，以预测声速。
• 将实验数据在不稳定性阈值附近拟合至 $ v = eta imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c) imes ext{sign}(a_{ ext{BF}}) imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c)^{1/2} $，以提取临界散射长度 $ a_c $。

实验结果

研究问题

• RQ1 当BEC与简并费米气体耦合时，其声子的声速如何随相互作用强度的变化而改变？
• RQ2 在中等吸引力子系统间相互作用下，是否如微扰理论所预测的那样出现声子软化？
• RQ3 在Feshbach共振时，强相互作用区域中是否仍能维持稳定的声波传播？
• RQ4 由于强吸引力子系统间相互作用导致声波传播不稳定的临界散射长度 $ a_c $ 是多少？
• RQ5 在强相互作用区域中，平均场与微扰理论模型与实验观测结果相比如何？

主要发现

• 在中等吸引力下，声速降低，与声子软化及微扰理论预测一致。
• 尽管存在强吸引力，但在共振子系统间散射长度下，稳定的声波传播重新出现，与直观预期的不稳定性相反。
• 不稳定性临界散射长度测量值为 $ a_c = -790(10) ext{ }a_0 $，系统误差为 $ 30 ext{ }a_0 $。
• 在不稳定性附近，声波速度呈现 $ v ightarrow ext{const} imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c) imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c)^{1/2} $ 依赖关系，且能被 $ v = eta imes ext{sign}(a_{ ext{BF}} - a_c)^{1/2} $ 良好拟合。
• 拟合得到的速度标度为 $ eta = 32(1) ext{ } ext{m} ext{ } ext{m}/ ext{s} imes a_0^{-1/2} $，表明集体激发的非微扰恢复。
• 采用包含有效耦合 $ g_k $ 与修正压缩率的平均场哈密顿量进行的理论建模，能准确捕捉实验数据，包括在 $ a_c $ 附近的非单调行为。