Kibble-Zurek universality in a strongly interacting Fermi superfluid

키블-주렉 기작 (Kibble-Zurek mechanism)은 2차 상전이 과정 중에 발생하는 위상학적 결점 (topological defects) 생성을 설명하기 위해 제안된 이론이다. 이는 결점의 밀도가 상전이 속도와 멱법칙(power-law) 관계를 가지며 이 멱법칙의 지수는 해당 상전이의 보편성 무리 종류에 따라 결정됨을 예측한다. 양자기체 연구실 연구진은 강하게 상호작용하는 페르미 원자기체의 초유체 상전이 동력학을 연구하였다. 상전이 과정에서 생성되는 위상학적 결점인 양자 소용돌이의 개수와 상전이 시간 사이에 멱법칙 관계를 실험으로 확인하였고, 특별히 이 멱법칙의 지수 값이 보즈-페르미 초유체성 교차영역 (BCS-BEC crossover) 에서 일정하게 유지되는 것을 관측하였다. 이러한 연구 결과는 키블-주렉 기작이 강한 상호작용을 갖는 시스템에서도 더욱이 초유체성의 미시 성질이 달라져도 변함없이 성립함을 확증하는 최초의 실험 결과이다.

[Abstract]

The Kibble-Zurek mechanism describes the spontaneous formation of topological defects in a system crossing a continuous phase transition. Its central premise is the notion of universality, which states that the characteristic scaling exponent describing the dependence of the defect density on the quench rate is determined by the underlying symmetries of the system. Whether this universality can be extended to strongly interacting systems, for example, a unitary Fermi gas, is an open question, which has recently drawn attention in the context of holographic theories. Here, we report the observation of the Kibble-Zurek universality in a strongly interacting Fermi superfluid. As the microscopic nature of superfluidity is tuned from Bose-Einstein condensation of tightly bound molecules to Bardeen-Cooper-Schrieffer superfluidity of long-range fermion pairs, the thermal quench formation of vortices reveals a constant scaling exponent arising from the U(1) gauge symmetry of the system. For rapid quenches, destructive vortex collisions lead to the saturation of their densities, whose values can be universally scaled by the interaction-dependent area of the vortex cores. This work paves the way for precision studies of non-equilibrium dynamics in a highly-tunable, strongly correlated many-fermion system.

참여 연구원: 고범석, 박지우, 신용일

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0650-1