[양자기체연구실] 초유체 상전이의 보편 Kibble-Zurek 멱법칙 확증 (Nature Physics 논문 게재)
Universal Kibble-Zurek scaling in an atomic Fermi superfluid
자발적 대칭성 깨짐은 자성체, 초전도체, 초유체, 강유전체 등 다양한 물리계의 상전이에서 나타나는 현상이다. Kibble-Zurek 기작은 자발적 대칭성 깨짐이 나타나는 상전이에서 위상 결점의 형성 및 이의 멱법칙 분포를 기술하는 이론적 토대이다. 이 기작은 1980년대에 처음 이론적으로 제시되어 초유체 헬륨에서 나타날 것으로 예상되었으나 정작 초유체에서는 이 현상을 관측하기 어려웠다. 우리 학부의 양자기체연구실 연구진은 균질한 리튬-6 페르미 기체 시료를 생성하고 이의 초유체 상전이 동력학을 연구하여 Kibble-Zurek 멱법칙 현상을 관측하였다. 온도와 상호작용 세기라는 서로 다른 두 변수를 사용하여 초유체 상전이를 조사하였다. 이 때 상전이를 통과하는 열역학적 방향에 상관없이, 위상 결점 생성에 대한 Kibble-Zurek 지수는 보편적으로 약 0.68로 동일하게 관찰되었으며 이는 이론적 예측과 잘 일치한다. 이번 연구 결과는 초유체 상전이에서 나타나는 위상 결점의 Kibble-Zurek 멱법칙을 처음으로 확증한 것이다. 연구 결과는 Nature Physics 지에 게재되었다.
자발적 대칭성 깨짐은 자성체, 초전도체, 초유체, 강유전체 등 다양한 물리계의 상전이에서 나타나는 현상이다. Kibble-Zurek 기작은 자발적 대칭성 깨짐이 나타나는 상전이에서 위상 결점의 형성 및 이의 멱법칙 분포를 기술하는 이론적 토대이다. 이 기작은 1980년대에 처음 이론적으로 제시되어 초유체 헬륨에서 나타날 것으로 예상되었으나 정작 초유체에서는 이 현상을 관측하기 어려웠다. 우리 학부의 양자기체연구실 연구진은 균질한 리튬-6 페르미 기체 시료를 생성하고 이의 초유체 상전이 동력학을 연구하여 Kibble-Zurek 멱법칙 현상을 관측하였다. 온도와 상호작용 세기라는 서로 다른 두 변수를 사용하여 초유체 상전이를 조사하였다. 이 때 상전이를 통과하는 열역학적 방향에 상관없이, 위상 결점 생성에 대한 Kibble-Zurek 지수는 보편적으로 약 0.68로 동일하게 관찰되었으며 이는 이론적 예측과 잘 일치한다. 이번 연구 결과는 초유체 상전이에서 나타나는 위상 결점의 Kibble-Zurek 멱법칙을 처음으로 확증한 것이다. 연구 결과는 Nature Physics 지에 게재되었다.
참여 연구원: 이규환, 김솔, 김태훈, 신용일
[논문정보]
Universal Kibble-Zurek scaling in an atomic Fermi superfluid
The Kibble–Zurek mechanism is a theoretical framework that describes the formation and scaling of topological defects in symmetry-breaking phase transitions. It was originally conceptualized for superfluid helium. The theory predicts that the number of quantum vortices should scale as a power law with the rate at which the system passes through the lambda transition, but demonstrating this effect has been elusive in experiments using superfluid systems. Here, we report the observation of Kibble–Zurek scaling in a homogeneous, strongly interacting Fermi gas undergoing a superfluid phase transition. We investigate the superfluid transition using temperature and interaction strength as two distinct control parameters. The microscopic physics of condensate formation is markedly different for the two quench parameters, as shown by the two orders of magnitude difference in the condensate formation timescale. However, regardless of the thermodynamic direction in which the system passes through a phase transition, the Kibble–Zurek exponent is identically observed to be about 0.68, in good agreement with theoretical predictions. This work experimentally demonstrates the theoretical proposal laid out for liquid helium, which is in the same universality class as strongly interacting Fermi gases.