[论文解读] Two-Element Mixture of Bose and Fermi Superfluids

Richard Roy, Alaina Green+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

该论文首次实现了基于 174Yb（玻色子）和 6Li（费米子）原子的稳定双组分玻色-费米超流混合物，通过测量玻色组分中可探测的偶极振荡频率移位，证实了弹性耦合的存在。观测到的频率移位证实了非超稀释散射长度为正，并实现了通过剪刀模式探测角动量转移，该结果与超流体流体动力学模型一致。

ABSTRACT

We report on the production of a stable mixture of bosonic and fermionic superfluids composed of the elements $^{174}$Yb and $^6$Li which feature a strong mismatch in mass and distinct electronic properties. We demonstrate elastic coupling between the superfluids by observing the shift in dipole oscillation frequency of the bosonic component due to the presence of the fermions. The measured magnitude of the shift is consistent with a mean-field model and its direction determines the previously unknown sign of the interspecies scattering length to be positive. We also observe the exchange of angular momentum between the superfluids from the excitation of a scissors mode in the bosonic component through interspecies interactions. We explain this observation using an analytical model based on superfluid hydrodynamics.

研究动机与目标

• 实现具有大质量比的玻色子 174Yb 与费米子 6Li 原子的稳定、量子简并混合物。
• 通过偶极模式频率移位探测超流组分之间的弹性耦合。
• 通过在玻色组分中激发剪刀模式，探测超流体之间的角动量交换。
• 利用平均场理论与实验频率移位结果，确定非超稀释散射长度的符号。
• 验证双组分超冷原子系统中超流体流体动力学理论模型的适用性。

提出的方法

• 采用动态调制的 1064 nm 光学偶极阱，实现对两种组分的高效蒸发冷却。
• 在 330 G 磁场下同时对 174Yb 进行强制蒸发冷却，并对 6Li 实施自旋交换冷却，以实现量子简并。
• 利用磁场梯度减小 6Li 的阱深，诱导其与 174Yb BEC 在空间上重叠。
• 使用射频脉冲在 832 G 磁场下制备 6Li 在超精细态上的 50:50 自旋混合物，该磁场条件位于 Feshbach 共振附近。
• 测量 174Yb 组分中偶极振荡频率移位随两组分云中心相对位移的变化关系。
• 在 174Yb 玻色-爱因斯坦凝聚体中激发剪刀模式，并利用超流体流体动力学方程分析角动量转移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超流混合物中，174Yb 与 6Li 之间的非超稀释散射长度符号为何？
• RQ2 由于与费米子超流体耦合，玻色组分的偶极振荡频率如何变化？
• RQ3 能否通过组分间相互作用在玻色与费米超流体之间实现角动量转移？
• RQ4 两组分云的空间位移如何影响偶极模式中的平均场频率移位？
• RQ5 费米气体密度分布的曲率在多大程度上影响由相互作用引起的频率移位？

主要发现

• 174Yb 组分中测得的偶极频率移位与平均场模型一致，证实了非超稀释散射长度为正。
• 若云中心位移达到 6Li 云半径的 44%，频率移位测量中将引入 10% 的系统误差。
• 随着水平位移增加，频率移位减小，其与费米云中径向位移呈平方根依赖关系。
• 在单位超流性（$1/k_F a_F = 0$）条件下，峰值频率移位与 $k_F a_{BF}$ 成正比，比例系数取决于质量比与极化率。
• 174Yb 组分中剪刀模式的激发由时变角形变驱动，导致可观测的角动量转移。
• 基于超流体流体动力学的理论建模成功解释了观测到的角动量转移与频率移位动力学行为。