Плотность

Природа (2023)Цитировать эту статью

4941 Доступов

86 Альтметрика

Подробности о метриках

Волна плотности (ДВ) — это фундаментальный тип дальнего порядка в квантовой материи, связанный с самоорганизацией в кристаллическую структуру. Взаимодействие порядка ДГ со сверхтекучестью может привести к сложным сценариям, которые представляют собой серьезную проблему для теоретического анализа. В последние десятилетия перестраиваемые квантовые ферми-газы служили модельными системами для изучения физики сильно взаимодействующих фермионов, включая, прежде всего, магнитное упорядочение1, спаривание и сверхтекучесть2, а также переход от сверхтекучести Бардина-Купера-Шриффера к конденсату Бозе-Эйнштейна3. . Здесь мы реализуем ферми-газ, обладающий как сильными, настраиваемыми контактными взаимодействиями, так и опосредованными фотонами пространственно структурированными дальнодействующими взаимодействиями в высокоточном оптическом резонаторе с поперечным приводом. Выше критической силы дальнего взаимодействия в системе стабилизируется порядок ДС, который мы идентифицируем по ее свойствам сверхизлучательного светорассеяния. Мы количественно измеряем изменение начала порядка ДГ при изменении контактного взаимодействия в сверхтекучей жидкости Бардина-Купера-Шриффера и кроссовере бозе-эйнштейновского конденсата, что находится в качественном согласии с теорией среднего поля. Восприимчивость атомных ДС меняется на порядок при настройке силы и знака дальнодействующих взаимодействий ниже порога самоупорядочения, демонстрируя независимый и одновременный контроль над контактным и дальнодействующим взаимодействиями. Таким образом, наша экспериментальная установка представляет собой полностью настраиваемую и микроскопически управляемую платформу для экспериментального изучения взаимодействия сверхтекучести и порядка ДС.

Эксперименты с квантовым газом предоставляют уникальную возможность создавать сложные квантовые системы многих тел снизу вверх, начиная с разбавленного газа и контролируемым образом добавляя взаимодействия. Первоначально это стало возможным благодаря точному контролю внутреннего контактного взаимодействия между атомами с помощью резонансов Фешбаха4. В последние годы были предприняты огромные усилия по разработке более сложных систем многих тел с использованием адаптированных дальнодействующих взаимодействий5. В качестве ключевого направления в этом направлении были успешно использованы диполярные взаимодействия между атомами с большим постоянным магнитным моментом для создания сверхтвердых фаз бозонов6. Для фермионов более сильные взаимодействия, обещанные в полярных молекулах7 или временно реализуемые с помощью ридберговской повязки8, могут в дальнейшем привести к экзотическим квантовым фазам.

Квантовая электродинамика резонаторов обеспечивает гибкую платформу для разработки нелокальных, комплексных взаимодействий между поляризующимися частицами, опосредованных фотонами резонатора9,10,11. Загружая атомы внутри высокоточного резонатора и управляя ими поперечным пучком накачки в режиме с далекой отстройкой и дисперсией, создается эффективное взаимодействие между атомами, описываемое гамильтонианом эффективного взаимодействия11:

где \(\hat{n}({\bf{r}})\) — оператор локальной плотности в позиции r. В одномодовом резонаторе это взаимодействие имеет пространственно-периодическую, бесконечнодействующую структуру вида \({\mathcal{D}}({\bf{r}},{{\bf{r}}}^{ {\prime} })={{\mathcal{D}}}_{0}\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{p}}}\cdot {\bf{r} })\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{c}}}\cdot {\bf{r}})\cos ({{\bf{k}}}_{{\ rm{p}}}\cdot {{\bf{r}}}^{{\prime} })\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{c}}}\cdot { {\bf{r}}}^{{\prime} })\), возникающее в результате интерференции моды накачки и резонатора12. Здесь \({{\mathcal{D}}}_{0}={U}_{0}{V}_{0}/{\varDelta }_{{\rm{c}}}\) равно сила взаимодействия, где U0 — потенциальная глубина полости на один фотон, а V0 — световой сдвиг, индуцированный накачкой, пропорциональный интенсивности лазера накачки. Δc — отстройка накачки от резонанса полости, знак которой определяет притягивающий или отталкивающий характер взаимодействия (Методика). Волновые векторы фотонов накачки и резонатора обозначены kp и kc соответственно. Физически гамильтониан взаимодействия (уравнение (1)) описывает коррелированные отдачи от рассеяния фотона накачки на атоме в моду резонатора и обратно в накачку вторым атомом.