Densidade

Natureza (2023) Citar este artigo

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Uma onda de densidade (DW) é um tipo fundamental de ordem de longo alcance na matéria quântica ligada à auto-organização em uma estrutura cristalina. A interação da ordem DW com a superfluidez pode levar a cenários complexos que representam um grande desafio para a análise teórica. Nas últimas décadas, gases quânticos sintonizáveis ​​de Fermi serviram como sistemas modelo para explorar a física de férmions fortemente interativos, incluindo principalmente ordenação magnética1, emparelhamento e superfluidez2, e o cruzamento de um superfluido de Bardeen-Cooper-Schrieffer para um condensado de Bose-Einstein3 . Aqui, percebemos um gás de Fermi apresentando interações de contato fortes e ajustáveis ​​e interações de longo alcance estruturadas espacialmente mediadas por fótons em uma cavidade óptica de alta fineza acionada transversalmente. Acima de uma força crítica de interação de longo alcance, a ordem DW é estabilizada no sistema, que identificamos por meio de suas propriedades de dispersão de luz superradiante. Medimos quantitativamente a variação do início da ordem DW à medida que a interação de contato é variada no superfluido Bardeen–Cooper–Schrieffer e no cruzamento do condensado Bose–Einstein, em concordância qualitativa com a teoria do campo médio. A suscetibilidade atômica DW varia em uma ordem de magnitude ao ajustar a força e o sinal das interações de longo alcance abaixo do limiar de autoordenação, demonstrando controle independente e simultâneo sobre o contato e as interações de longo alcance. Portanto, nossa configuração experimental fornece uma plataforma totalmente sintonizável e microscopicamente controlável para o estudo experimental da interação de superfluidez e ordem DW.

Os experimentos de gás quântico fornecem uma oportunidade única para criar sistemas quânticos complexos de muitos corpos de baixo para cima, começando a partir de um gás diluído e adicionando interações de maneira controlada. Isso foi inicialmente possibilitado pelo controle preciso da interação de contato intrínseco entre os átomos usando ressonâncias de Feshbach4. Nos últimos anos, houve grandes esforços para projetar sistemas de muitos corpos mais complexos, usando interações personalizadas de longo alcance5. Como uma extensão chave nessa direção, interações dipolares entre átomos com grande momento magnético permanente foram usadas com sucesso para criar fases supersólidas de bósons6. Para férmions, interações mais fortes prometidas em moléculas polares7 ou realizadas transitoriamente usando o curativo de Rydberg8 poderiam levar ainda mais a fases quânticas exóticas.

A eletrodinâmica quântica de cavidade fornece uma plataforma flexível para engenharia de interações não locais, tudo-para-todos entre partículas polarizáveis ​​mediadas por fótons de cavidade9,10,11. Ao carregar átomos dentro de uma cavidade de alta sutileza e acioná-los com um feixe de bombeamento transversal no regime dispersivo distante, uma interação efetiva entre os átomos é produzida, descrita por uma interação efetiva Hamiltoniana11,

onde \(\hat{n}({\bf{r}})\) é o operador de densidade local na posição r. Em uma cavidade de modo único, essa interação tem uma estrutura espacialmente periódica e de alcance infinito da forma \({\mathcal{D}}({\bf{r}},{{\bf{r}}}^{ {\prime} })={{\mathcal{D}}}_{0}\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{p}}}\cdot {\bf{r} })\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{c}}}\cdot {\bf{r}})\cos ({{\bf{k}}}_{{\ rm{p}}}\cdot {{\bf{r}}}^{{\prime} })\cos ({{\bf{k}}}_{{\rm{c}}}\cdot { {\bf{r}}}^{{\prime} })\), que surge da interferência da bomba e do modo de cavidade12. Aqui, \({{\mathcal{D}}}_{0}={U}_{0}{V}_{0}/{\varDelta }_{{\rm{c}}}\) é a força de interação, com U0 sendo a profundidade potencial da cavidade por fóton e V0 sendo o deslocamento de luz induzido pela bomba, proporcional à intensidade do laser da bomba. Δc é o desafinamento da bomba da ressonância da cavidade, cujo sinal determina o caráter atrativo ou repulsivo da interação (Métodos). Os vetores de onda dos fótons de bomba e cavidade são denotados por kp e kc, respectivamente. Fisicamente, a interação hamiltoniana (equação (1)) descreve os retrocessos correlacionados do espalhamento de um fóton de bomba de um átomo para o modo de cavidade e de volta para a bomba por um segundo átomo.