中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
T01組供稿
第67期
2022年08月22日
異核費米混合氣的量子少體束縛及自發晶體關聯

  嚴格可解的量子少體問題為探究復雜的多體物理現象提供了重要且可靠的途徑。一個著名的例子是共振點處分子束縛態的生成為自旋1/2費米超流的BCS-BEC渡越奠定了基礎,突顯了該系統中主導的兩體關聯效應。那么一個自然的問題是,是否存在更奇異的量子少體態,從而可以在多體系統中誘導更新穎的少體關聯效應和物理現象。

  近年來超冷原子體系的快速發展為研究該問題提供了契機,特別是K-Li,Dy-K, Cr-Li等多種異核費米混合氣的成功制備為該研究提供了實驗條件。考慮由N個全同重費米子和一個輕原子組成的相互作用體系,輕原子的運動可以誘導重費米子之間的有效吸引,從而有助于形成(N+1)束縛態。這些束縛態具有比兩體分子態更低的能量,從而在多體系統中將扮演更重要的角色,有希望誘導更新奇的少體關聯效應。但是理論表明,在三維空間中這些束縛態的產生一般要求較高的重-輕質量比,例如三聚體(N=2)要求這一質量比大于8.2,而四聚體和五聚體則要求更高。由于對質量比的極高要求,目前這類少體束縛還沒有在冷原子實驗中所觀測到,其誘導的關聯效應更無從談起。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算重點實驗室崔曉玲研究員帶領博士后劉瑞金和博士生彭程在該類問題的研究上取得了突破性進展。他們聚焦于二維的(N+1)異核費米體系,成功地得到了四體( N=3)和五體(N=4)問題的嚴格解,給出了對應少體束縛態出現的臨界質量比(圖1)。他們的計算表明,二維體系的臨界質量比要遠小于三維體系,從而可以被當前的多種異核費米混合氣所實現。此外,他們還得到了分子-原子相對坐標系中的角動量分解,并指出不同分解可以導致不同的重費米子動量空間分布(圖2)。這些分布有明顯的晶體結構,是純粹由相互作用導致的自發對稱破缺,代表了這類束縛態獨有的量子關聯特性。這一研究結果近期發表于Physical Review Letters 129, 073401 (2022).

  更進一步地,該團隊研究了這類少體束縛態對費米極化子的影響(這里的極化子是指一個輕質量的雜質原子與重費米海原子相互作用所導致的準粒子激發)。之前研究表明,當雜質與費米海原子具有相同質量時,隨著相互作用的增強可以導致極化子到分子的一階相變,這也可以看作兩體關聯所主導的一種典型的多體效應。而對于不等質量的異核極化子體系,上面所提到的少體束縛態的產生又會誘導什么樣的多體效應呢?是否會存在極化子到多聚體的量子相變?針對這一問題,該團隊采用基于高階粒子-空穴激發的變分方法,將兩體、三體和四體關聯統一全部包含于該變分波函數中,從而對比提煉出主導的少體關聯通道。他們的計算結果表明,當重費米子與輕雜質的質量比大于三聚體的臨界質量比時,將不會發生一階相變,取而代之的是由極化子到多聚體綴飾態的一系列平滑渡越;在這一過程中,背景原子的粒子-空穴激發呈現出對角或正三角的晶體關聯特性(圖3),與對應的少體束縛態中的晶體關聯相呼應。 他們還指出這些現象源自于三聚體和四聚體在動量空間所特有的高對稱性,從而與兩體分子態所誘導的物理有本質不同(圖4). 該研究結果近期發表于Cell Reports Physical Science 3, 100993(2022).

  以上兩項研究表明異核費米混合體具有與自旋1/2費米體系完全不同的少體束縛態和量子關聯性質,對基于Cooper pair的傳統配對理論提出了巨大挑戰,有希望在此基礎上建立嶄新的費米超流理論。該研究得到科技部國家重點研發計劃(2018YFA0307600)、國家自然科學基金委(12074419,12134015)和中國科學院先導專項(XDB33000000)的資助。

文章鏈接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.073401
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266638642200279X?via%3Dihub

圖1: 能量隨質量比的變化關系圖。三聚體(trimer), 四聚體(tetramer), 五聚體(pentamer)出現的臨界質量比分別是3.34,3.38,5.14. 其中四聚體和五聚體是該研究新得到的結果。

圖2:三聚體(trimer), 四聚體(tetramer), 五聚體(pentamer) 在分子-原子相對坐標系中的角動量分解,及其對應的費米子動量空間關聯分布。可以看到三聚體和四聚體的二階關聯分布以及五聚體的三階關聯分布自發地呈現出對角、正三角等晶體結構。

圖3: 二維異核費米極化子體系在相互作用強度和質量比參數空間的相圖。當質量比大于真空中三聚體的臨界質量比時,將不會發生極化子到分子的一階相變,而是由極化子到多聚體綴飾態的一系列平滑渡越;在此過程中,費米海原子的粒子-空穴激發呈現出對角或正三角的晶體關聯特性,代表體系進入綴飾三聚體和四聚體區間。

圖4: 綴飾三聚體(A),四聚體(B)以及分子態(C)區間內的粒子-空穴激發及晶體關聯。在(A,B)中,高對稱的對角或正三角激發之間可以自由散射,降低能量的同時不改變系統總動量;而在(C)中,不同動量的粒子-空穴激發之間不能散射,其總動量也與(A,B)不同。這些不同導致極化子到分子態的轉變是不同總動量態之間的一階相變,而極化子到三聚體和四聚體的轉變屬于平滑渡越。