[论文解读] Transition from a polaronic condensate to a degenerate Fermi gas of heteronuclear molecules

Marcel Duda, Xing-Yan Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究展示了在密度匹配的玻色-费米混合系统中，从极化子凝聚态到异核NaK分子的简并费米气体的量子相变。通过一种新颖的密度减压技术抑制损失，作者观察到相互作用驱动的凝聚态序参数耗尽，以及具有2.7德拜大偶极矩的量子简并分子费米气体的出现。

ABSTRACT

The interplay of quantum statistics and interactions in atomic Bose--Fermi mixtures leads to a phase diagram markedly different from pure fermionic or bosonic systems. However, investigating this phase diagram remains challenging when bosons condense. Here, we observe evidence for a quantum phase transition from a polaronic to a molecular phase in a density-matched degenerate Bose--Fermi mixture. The condensate fraction, representing the order parameter of the transition, is depleted by interactions and the build-up of strong correlations results in the emergence of a molecular Fermi gas. By driving through the transition, we ultimately produce a quantum-degenerate sample of sodium-potassium molecules exhibiting a large molecule-frame dipole moment of 2.7 Debye. The observed phase transition represents a new phenomenon complementary to the paradigmatic BEC-BCS crossover observed in Fermi systems.

研究动机与目标

• 研究在两种组分粒子密度匹配的简并玻色-费米混合系统中的量子相变，其中两种组分均为量子简并。
• 克服双简并混合系统中增强的双体损失所带来的挑战，该挑战阻碍了量子简并异核分子的形成。
• 探究在玻色子与费米子相互屏蔽的区域中，极化子关联与分子配对之间的相互作用。
• 实验实现并表征一种与BEC-BCS交叉不同的新量子相变，涉及分子简并费米气体的形成。

提出的方法

• 采用密度减压技术降低玻色-爱因斯坦凝聚体的峰值密度，从而抑制分子形成过程中的双体损失过程。
• 使用对物种依赖的785 nm光镊和远失谐的1550/1064 nm光镊，独立控制23Na与40K原子的空间分布。
• 利用Feshbach共振调节23Na与40K之间的s波散射长度，通过磁场控制实现相互作用强度的连续调节。
• 以凝聚态分数作为相变的序参量，追踪其在吸引力增强时的耗尽行为。
• 利用飞行时间成像与费米-狄拉克分布拟合提取温度与原位密度，采用经典气体近似估算简并费米气体参数。
• 使用与密度相关的双体损失方程建模分子损失，损失系数与温度相关，通过数据拟合提取损失参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密度匹配的玻色-费米混合系统中，从极化子凝聚态到分子费米气体的量子相变如何表现？
• RQ2 简并玻色子与费米子之间的相互屏蔽在超越标准费米子极化子图像的相变中起什么作用？
• RQ3 尽管在高密度混合系统中存在强烈的双体损失，是否仍可实现量子简并分子费米气体的形成？
• RQ4 在对称密度条件下，极化子到分子相变的临界相互作用强度是多少？
• RQ5 在简并区域，分子损失速率如何依赖于温度与密度？

主要发现

• 随着吸引力增强，极化子凝聚态序参数被耗尽，表明发生了向分子相的量子相变。
• 该相变由相互屏蔽引起的强关联驱动，导致23Na-40K分子简并费米气体的形成。
• 成功制备了具有大偶极矩2.7德拜的NaK分子简并样本。
• 测得基态NaK分子的双体损失系数为 $ b_{\text{GS}} = 4.8(6) \times 10^{-11} \, \text{cm}^3/\mu\text{K} \cdot \text{s} $，表明由于密度减压技术的引入，损失被有效抑制。
• 测得Feshbach分子的损失系数为 $ b_{\text{FB}} = 3.8(5) \times 10^{-12} \, \text{cm}^3/\mu\text{K} \cdot \text{s} $，证实了损失缓解策略的有效性。
• 相变的临界逆散射长度 $ (k_F a_{BF})^{-1} $ 与理论预测一致，理想玻色子在 $ n_B/n_F = 1 $ 时的值约为2.02。