Densità

Natura (2023) Cita questo articolo

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Un’onda di densità (DW) è un tipo fondamentale di ordine a lungo raggio nella materia quantistica legato all’autorganizzazione in una struttura cristallina. L’interazione dell’ordine DW con la superfluidità può portare a scenari complessi che rappresentano una grande sfida per l’analisi teorica. Negli ultimi decenni, i gas quantistici di Fermi sintonizzabili sono serviti come sistemi modello per esplorare la fisica dei fermioni fortemente interagenti, tra cui in particolare l'ordinamento magnetico1, l'accoppiamento e la superfluidità2, e il crossover da un superfluido Bardeen-Cooper-Schrieffer a un condensato di Bose-Einstein3 . Qui, realizziamo un gas di Fermi caratterizzato sia da interazioni di contatto forti e sintonizzabili che da interazioni a lungo raggio strutturate spazialmente e mediate da fotoni in una cavità ottica ad alta finezza guidata trasversalmente. Al di sopra di una forza di interazione critica a lungo raggio, l’ordine DW è stabilizzato nel sistema, che identifichiamo attraverso le sue proprietà di diffusione della luce superradianti. Misuriamo quantitativamente la variazione dell'inizio dell'ordine DW man mano che l'interazione di contatto varia attraverso il superfluido Bardeen-Cooper-Schrieffer e il crossover del condensato di Bose-Einstein, in accordo qualitativo con una teoria del campo medio. La suscettibilità atomica al DW varia di un ordine di grandezza regolando la forza e il segno delle interazioni a lungo raggio al di sotto della soglia di auto-ordinamento, dimostrando un controllo indipendente e simultaneo sul contatto e sulle interazioni a lungo raggio. Pertanto, la nostra configurazione sperimentale fornisce una piattaforma completamente sintonizzabile e controllabile al microscopio per lo studio sperimentale dell'interazione tra superfluidità e ordine DW.

Gli esperimenti sui gas quantistici offrono un’opportunità unica per creare sistemi quantistici complessi a molti corpi dal basso verso l’alto, partendo da un gas diluito e aggiungendo interazioni in modo controllato. Ciò è stato inizialmente reso possibile dal controllo preciso dell'interazione di contatto intrinseca tra gli atomi utilizzando le risonanze di Feshbach4. Negli ultimi anni si sono compiuti enormi sforzi per progettare sistemi a molti corpi più complessi utilizzando interazioni su misura a lungo raggio5. Come estensione chiave in questa direzione, le interazioni dipolari tra atomi con un grande momento magnetico permanente sono state utilizzate con successo per creare fasi supersolide di bosoni6. Per i fermioni, le interazioni più forti promesse nelle molecole polari7 o realizzate transitoriamente utilizzando la medicazione Rydberg8 potrebbero ulteriormente portare a fasi quantistiche esotiche.

L'elettrodinamica quantistica delle cavità fornisce una piattaforma flessibile per progettare interazioni non locali, tutto-a-tutti tra particelle polarizzabili mediate da fotoni di cavità9,10,11. Caricando gli atomi all'interno di una cavità ad alta finezza e guidandoli con un raggio di pompa trasversale nel regime dispersivo e molto desintonizzato, si produce un'interazione efficace tra gli atomi, descritta da un'Hamiltoniana di interazione efficace11,

dove \(\hat{n}({\bf{r}})\) è l'operatore di densità locale nella posizione r. In una cavità monomodale, questa interazione ha una struttura spazialmente periodica e con intervallo infinito della forma \({\mathcal{D}}({\bf{r}},{{\bf{r}}}^{ {\prime} })={{\mathcal{D}}}_{0}\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{p}}}\cdot {\bf{r} })\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{c}}}\cdot {\bf{r}})\cos ({{\bf{k}}}_{{\ rm{p}}}\cdot {{\bf{r}}}^{{\prime} })\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{c}}}\cdot { {\bf{r}}}^{{\prime} })\), che nasce dall'interferenza della pompa e della modalità cavità12. Qui, \({{\mathcal{D}}}_{0}={U}_{0}{V}_{0}/{\varDelta }_{{\rm{c}}}\) è la forza di interazione, dove U0 è la profondità potenziale della cavità per fotone e V0 è lo spostamento della luce indotto dalla pompa, proporzionale all'intensità del laser della pompa. Δc è la dissintonizzazione della pompa dalla cavità risonante, il cui segno determina la natura attrattiva o repulsiva dell'interazione (Metodi). I vettori d'onda dei fotoni di pompa e di cavità sono indicati rispettivamente con kp e kc. Fisicamente, l'Hamiltoniana di interazione (equazione (1)) descrive i rinculi correlati dalla diffusione di un fotone di pompa da un atomo nella modalità cavità e di nuovo nella pompa da parte di un secondo atomo.