[论文解读] Strongly Interacting Bose Gases near a $d$-wave Shape Resonance

Xing-Can Yao, Ran Qi+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究首次在简并的⁴¹K玻色气体中实验观测到宽幅的d波形共振，展示了分子结合能的三重分裂，为d波分子提供了证据。通过扫过共振，系统形成了寿命长、温度低的原子-分子混合态，其呼吸模式振荡几乎无阻尼，强烈表明在超冷量子气体中可能存在d波分子超流相。

ABSTRACT

Many unconventional quantum matters, such as fractional quantum Hall effect and $d$-wave high-Tc superconductor, are discovered in strongly interacting systems. Understanding quantum many-body systems with strong interaction and the unconventional phases therein is one of the most challenging problems in physics nowadays. Cold atom systems possess a natural way to create strong interaction by bringing the system to the vicinity of a scattering resonance. Although this has been a focused topic in cold atom physics for more than a decade, these studies have so far mostly been limited for $s$-wave resonance. Here we report the experimental observation of a broad $d$-wave shape resonance in degenerate ${}^{41}$K gas. We further measure the molecular binding energy that splits into three branches as a hallmark of $d$-wave molecules, and find that the lifetime of this many-body system is reasonably long at strongly interacting regime. From analyzing the breathing mode excited by ramping through this resonance, it suggests that a quite stable low-temperature atom and molecule mixture is produced. Putting all the evidence together, our system offers great promise to reach a $d$-wave molecular superfluid.

研究动机与目标

• 在超冷原子系统中此前未探索过的强关联玻色气体中，实验观测d波形共振。
• 研究d波共振附近的多体物理，特别是d波分子的形成与稳定性。
• 确定是否可稳定存在寿命长、温度低的原子与分子混合态，以实现对新型量子相的访问。
• 通过光谱与动力学测量，探测d波分子超流性的出现。

提出的方法

• 利用磁性费什巴赫共振，在简并⁴¹K气体中调节相互作用，使其接近d波形共振。
• 通过测量原子损失与分子结合能，识别出d波分波特征的三重分裂结构。
• 采用扫过共振的方法激发呼吸模式振荡，并提取最终多体态的信息。
• 分析振荡幅度与最终原子数随扫过速度的变化，推断原子-分子混合相的存在。
• 假设最终的托马斯-费米半径仅由原子决定，并利用关系式 $ R_{\rm f} = (15a_{\text{s}}a_{\text{ho}}^{4}N_{\text{a}})^{1/5} $ 提取原子分数，从而确定分子分数。
• 将实验测得的振荡幅度与剩余原子数数据进行拟合，提取分子分数 $ 2N_{\text{m}}/N_{\text{f}} $ 随扫过速度的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在简并⁴¹K原子玻色气体中实验观测到宽幅d波形共振？
• RQ2 分子结合能是否表现出三重分支结构，从而确认d波特性？
• RQ3 在d波共振附近的强关联区域，多体系统的寿命有多长？
• RQ4 扫过共振是否会产生稳定的原子与分子混合态，且其处于低温量子相？
• RQ5 观测到的呼吸模式振荡是否可指示d波分子超流的形成？

主要发现

• 在简并⁴¹K气体中首次实验观测到宽幅d波形共振，其特征为分子结合能的三重分裂，得到证实。
• 系统在强关联区域表现出足够长的寿命，使多体动力学研究成为可能。
• 扫过共振后，呼吸模式振荡的阻尼极小，表明系统仍处于低温量子态。
• 对振荡幅度与最终原子数的分析显示，分子分数随扫过速度呈非单调变化，且在中间速度时达到峰值，证实了稳定原子-分子混合态的存在。
• 分子分数 $ 2N_{\text{m}}/N_{\text{f}} $ 在中间扫过速度时达到最大值，与原子与分子的凝聚相一致。
• 所有证据共同支持该系统中形成了d波分子超流，为研究非传统超导性提供了平台。