何联毅课题组在冷原子费米气体超流态研究中取得进展

2018年3月06日

1月25日,清华大学物理系何联毅助理教授与澳大利亚Swinburne University of Technology的胡辉副教授和刘夏姬教授合作,在《物理评论快报》(“Physical Review Letters”)杂志在线发表了题为《通过暗态调控Feshbach共振方法实现Fulde-Ferrell超流体》(“Realizing Fulde-Ferrell Superfluids via a Dark-State Control of Feshbach Resonances”)的研究论文。该理论工作提出了一种在冷原子费米气体中,通过双光场对Feshbach共振的闭通道分子态进行调控,进而实现具有有限动量库珀配对的费米超流态(Fulde-Ferrell超流态)的方案。通过BCS-BEC过渡机制,在强耦合区域该方案还可用于实现有限动量的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。

费米系统在有吸引相互作用的时候可以通过形成库珀对并发生凝聚而形成超导或超流态,并且在相互作用增强的时候出现从弱耦合BCS超流态到紧束缚玻色子的BEC超流态的转变。近十余年来,随着冷原子物理的发展,人们可以通过Feshbach共振来调节碱金属费米原子气体(如6Li, 40K)中的吸引相互作用强度,从而完美展现出费米系统中的BCS-BEC过渡现象。

在理论上,BCS理论里面只考虑库珀对总动量为零的超流态,BEC理论里面也只考虑玻色子凝聚到动量为零的态。60年代在研究自旋塞曼分裂效应对超导配对的效应时发现在所谓的泡利极限附近可以形成有限动量库珀配对的奇特超导态,被称为Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov(FFLO)态。90年代以来,由于新超导材料的发现、冷原子物理的发展以及致密夸克物质中色超导的研究,FFLO态的实验寻找和理论研究引起了人们极大的兴趣。在冷原子费米系统中,通常采用调节配对的两种原子态的原子数差异的方法来模拟自旋塞曼分裂。然而在这种方案下,FFLO态稳定存在的参数空间非常小(只有在一维系统中有较大的参数空间),不利于实验观测。人们提出了一些方法(例如自旋轨道耦合)来增大这个参数空间,但都是基于调制单粒子态的思路。在自旋轨道耦合方案中,加热问题和如何兼容Feshbach共振的问题都还没有得到很好的解决。

图1. (左)双光场调控Feshbach共振示意图;(右)库珀配对动量以及两体和多体衰变率随着磁场(耦合强度)的变化。

在这个理论工作中,受到北卡罗莱纳州立大学John Thomas教授小组的实验工作和中国人民大学张芃教授小组理论工作的启发,何联毅及其合作者提出采用调控原子间相互作用的思路来实现有限动量配对的Fulde-Ferrell超流态。冷原子体系的相互作用强度是通过Feshbach共振来调控的,而Feshbach共振的关键在于存在与双原子散射态(开通道)耦合的闭合通道分子态。 这个闭合通道分子态类似于量子场论中的力的传递者(Force Carrier)。通过双光场的方法,将闭合通道分子态耦合到另外两个分子态,则可以改变闭合通道分子态的传播性质,从而改变开通道中原子之间感受到的有效相互作用(图1左)。如果两束光场的传播方向相反,理论上可以证明原子间的有效相互作用是依赖于质心动量的。通过标准的场论方法计算,何联毅及其合作者发现这种费米系统的基态必然为有限动量配对的超流态(图1右)。在强耦合极限下,该超流态实际上是一种有限动量的玻色爱因斯坦凝聚体。在暗态区域(双光子失谐量为零)附近,由于暗态放大效应,配对动量在共振点可以达到非常可观的数值。此时,体系的原子损失率和加热效应都可以被有效的抑制,从而非常有利于实验实现和观测。

该工作得到了国家青年千人计划和国家自然科学基金的支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.045302