[论文解读] The strongly driven Fermi polaron

Franklin J. Vivanco, Alexander Schuckert+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein CondensatesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究在均匀超冷原子气体中研究强驱动的费米子极化子，利用射频驱动调节准粒子性质。通过测量杂质态之间的拉比振荡，作者提取了能量、衰变率和准粒子权重，发现在强驱动下权重超过单位一，挑战了传统解释，并凸显了该平台在工程强驱动量子物质中可控准粒子的潜力。

ABSTRACT

Quasiparticles are emergent excitations of matter that underlie much of our understanding of quantum many-body systems. Therefore, the prospect of manipulating their properties with external fields -- or even destroying them -- has both fundamental and practical implications. However, in solid-state materials it is often challenging to understand how quasiparticles are modified by external fields owing to their complex interplay with other collective excitations, such as phonons. Here, we take advantage of the clean setting of homogeneous quantum gases and fast radio-frequency control to manipulate Fermi polarons -- quasiparticles formed by impurities interacting with a non-interacting Fermi gas -- from weak to ultrastrong drives. Exploiting two internal states of the impurity species, we develop a steady-state spectroscopy, from which we extract the energy of the driven polaron. We measure the decay rate and the quasiparticle residue of the driven polaron from the Rabi oscillations between the two internal states. At large drive strengths, the so-extracted quasiparticle residue exceeds unity, raising intriguing questions on the relationship between the Rabi oscillations and the impurity's spectral functions. Our experiment establishes the driven Fermi polaron as a promising platform for studying controllable quasiparticles in strongly driven quantum matter.

研究动机与目标

• 研究在洁净、均匀的量子气体环境中，费米子极化子在强射频驱动下的行为。
• 实验测量驱动极化子的能量、衰变率和准粒子权重随驱动强度的变化。
• 探究强驱动下标准准粒子图像的失效，特别是权重大于1的出现。
• 建立一个可控平台，用于研究强驱动量子多体系统中非平衡准粒子的行为。

提出的方法

• 使用两种内态的 6Li 原子高度非对称混合，其中一种态（|↓⟩）为非相互作用，另一种态（|↑⟩）与费米海发生单位强度相互作用。
• 施加均匀射频场，实现两杂质态之间的相干拉比振荡，形成驱动-屏蔽极化子。
• 采用稳态光谱测量提取极化子能量，利用线性响应光谱测量从拉比振荡衰减中确定衰变率和权重。
• 通过排斥极化子光谱校准费米能，并通过在不同杂质浓度下系统测量，考虑有限杂质浓度的影响。
• 通过拟合磁化率动力学提取拉比频率和衰变率，区分背景退相干与环境诱导的退相干。
• 基于弗罗利希哈密顿量和自能修正的理论模型，解释观测到的能谱位移和权重行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着射频驱动强度的增加，费米子极化子的能量、衰变率和准粒子权重如何演化？
• RQ2 在强驱动区域观测到的准粒子权重超过单位一的根源是什么？
• RQ3 有限杂质浓度在多大程度上影响测量的极化子性质，如能级位移和权重？
• RQ4 强驱动极化子中的拉比振荡能否作为其谱函数和多体性质的可靠探针？
• RQ5 多体相互作用与外部驱动之间的相互作用如何在非平衡量子系统中改变标准准粒子图像？

主要发现

• 在强驱动强度下，驱动费米子极化子的准粒子权重超过单位一，表明标准准粒子图像的失效，挑战了对拉比振荡衰减的传统解释。
• 衰变率随驱动强度显著增加，主要衰变机制归因于多体环境而非技术性退相干，这一点通过与自旋极化系统比较得到证实。
• 通过排斥极化子光谱，以高精度（η = 0.97(4)）校准有效费米能，验证了光盒的空间均匀性和校准精度。
• 有限杂质浓度效应导致能级位移 Δ₀ 最多偏离13%，极化子能量 Eₚ 最多偏离6%，表明测量在相关密度范围内具有鲁棒性。
• 在费米海存在下，拉比振荡的衰变率 Γ ≈ 3.1 kHz，比背景退相干（Γ_bg ≈ 0.03 kHz）大两个数量级，证实了环境诱导的动力学。
• 该系统对外部驱动表现出强而可调的响应，确立了驱动费米子极化子作为工程和探测非平衡准粒子行为的可行平台。