核心概念
本稿では、連続体中の量子多体システム、特に二次元原子フェルミ気体を単一原子レベルで画像化する新しい量子ガス顕微鏡法を紹介し、従来の光格子やピンセットベースのシステムの限界を超えた、空間的に分解された相関関数の測定を可能にする。
要約
本稿では、連続体中のフェルミ粒子の量子ガス顕微鏡観察という新しい実験手法について報告する。従来の量子ガス顕微鏡は、光格子やピンセットのように空間が離散化された量子系に限定されてきた。本研究では、連続体中の原子量子多体系の個々の粒子をその場で分解することを可能にする新しい手法を紹介する。
この手法の有効性を、二次元原子フェルミ気体を用いて実証した。密度相関関数をプローブし、その完全な空間関数形を明らかにし、温度の関数としてパウリ排他原理から生じるフェルミホールの形状を明らかにした。非相互作用領域における系を研究することで、測定された相関関数を理論的予測と直接比較することができ、優れた一致が見られた。さらに、測定された2点および3点相関関数を高精度で関連付けることで、試料に対するウィックの定理の妥当性を実験的に実証し、画像化手法の厳密な検証を得た。
最後に、フェルミ粒子が三次元の量子状態を占めることを許容することで、純粋な2次元の場合から脱却した。相関関数は、横方向の運動準位における集団への定量的かつ信頼性の高いアクセスを提供するため、準2次元フェルミ気体を特徴付けるための新しい方法を提供することを示す。これらの測定は、バルク気体のその場での原子分解空間相関測定としては初めてのものである。ここで紹介する一般的なアプローチは、強く相互作用する量子気体をプローブするのに容易に適用できる。
統計
研究対象となったフェルミ気体は、原子間距離が格子間隔の約5倍という希薄な領域にあった。
測定の結果、T/TF = 0.47(7)という温度で、明確なフェルミホールが観察された。
フェルミホールのコントラストは100%であり、理論的予測と一致した。
g2測定から得られた温度で、g3関数の理論的予測と実験結果はよく一致した。
g2関数からウィックの定理を用いて抽出したコヒーレンス関数g1を用いて、g3関数を計算した結果、測定値と非常によく一致した。
フェルミエネルギーを増加させると、g2関数のフェルミホールの深さが減少することが観察された。
最も低いEFの試料では、基底状態の占有率はp0 = 99(1)%であり、1つ未満の原子がν = 1準位を占めていることを意味し、これらの試料が2次元領域にあるという仮定を裏付けている。
引用
「原子ベースの量子シミュレーターは、多体系の各粒子を画像化できる独自のプラットフォームを提供する。」
「ここでは、連続体中の原子量子多体系を画像化するための新しい方法を紹介する。これは、すべての粒子をその場で分解することを可能にする。」
「我々の方法は、連続体中の強く相関した量子気体をこれまでにない空間分解能でプローブするための扉を開くものであり、システム全体にわたって任意の高次の空間的に分解された相関関数へのその場でのアクセスを提供する。」