物理 --观点：桃李满门内在光导

观点：桃李满门内在光导

圭多普皮洛和法比奥梅扎卡波， IPCMS（UMR 7504）和ISIS（UMR 7006），大学斯特拉斯堡和法国国家科学研究中心，法国斯特拉斯堡，

发布时间2013年2月19号|  物理 ，19（2013）  DOI：10.1103/Physics.6.19

一种新的实验揭示了光晶格中的超冷费米气体中的粒子和空穴的不同动态的，开放的方式来研究凝聚态物质运输的现象，如光导通过量子光学系统。

本征光导光格子中的超冷费米子

B. N.Fl?schner，J.海因策，JS Krauser，洪特，S.G?tze，AP ITIN，L. Mathey成为K. Sengstock，和C贝克尔

物理。快报。 110，085302（2013年）

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APS / 艾伦斯通布雷克

图1 励磁凝聚态系统（上面板）和其冷原子对应（下面板）在光电导导致的方法。在凝聚态系统，入射激光（?v）激发一个电子到价带，后面留下一个带正电荷的空穴。了光晶格以冷原子类推，被调谐，以允许一个原子移动到的激发带，也离开后面的孔。

当晶体吸收合适的能量的光子，电子 - 空穴的激发导致导电性的增加成正比的光子通量的对中创建。这样一种现象，其中光产生电的电流，转动到一个导电材料的非导体，被称为光电导。虽然光导时，原则上，在任何材料，大量的光电流是特别容易产生，因为他们的小的带隙半导体。调查电子 - 空穴动力学，输运性质的复杂化合物，可能显示了新颖的物理，以及其技术的应用，如半导体光电二极管和光敏电阻，光电导性能是至关重要的兴趣。然而，固态系统可以是复杂的，因为组成原子的密度，所以有一个愿望，凝聚态物理研究物理效应，在良好的控制类似的系统，如冷原子气体，以及了解如何颗粒孔动力学在后者的情况下操作。

写在“ 物理评论快报“，雅尼海因策，德国汉堡大学，与合作者提出联合实验和理论工作的激励动力的超冷费米气体被困在一个周期的光学势或“光晶格”[ 1 ]的结果。实验是专门设计来模仿的现象中的光电导性的原子气体。在这个实验中，粒子被转移由晶格幅度的调制从晶格的最低频带的第二激发1，离开孔后面。外部谐波潜在诱导振荡的颗粒和孔，相应的运输，在凝聚态系统，以及随之而来的动态进行监测通过势头分辨的吸收成像技术。是透明的，非常有吸引力的平行半导体：半导体光子晶格调制，电子打的费米原子，而孔留孔。图1示出的激励过程中，发生在凝聚态系统（上面板）和在其冷原子对应（下面板）。在量子模拟的精神，一个目标是利用这些类比调查的物理，半导体量子光学系统。

该研究小组使用，在大多数情况下，无相互作用的自旋极化的超冷气体钾40 （40K）费米原子。在少数情况下，两个不同的自旋态的混合物，而不是被利用，增加的可能性，包括和调整使用Fano的Feshbach共振（即引起共鸣的分子状态的符号和强度的控制，允许的相互作用种间两体相互作用）。促进光学格点的振幅调制，不转移准动量（即，所产生的晶格的平移对称性的特性的量子数），从最低到上部带几个粒子。然而，在半导体中，两个频带是弯曲的，因为在这里的存在下，一限制谐波电位光学偶极阱。的共振频率激发从而成为准动量依赖的，因为不同的频带，它允许进行完全控制的激发粒子的初始quasimomentum曲率。使用的绝热带映射和吸收成像的特征时间飞行15后，他们的动态监控毫秒（ms）。，而不是只是在做输运测量，这种方法使团队能够定期动态的原子和解决他们的气势完全。本实验是一个令人惊讶的新的功能，在这里，基本上是相同的进行孔：差分吸收成像技术是至关重要的，在这种情况下，按照时间演化的孔的深度（即，孔相对于费米势头1）。

中的费米子的激发带的动态显示在动量空间的扩展振荡。的振荡频率与谐波禁闭增加，减少，而不是与准动量的激励以及与晶格深度。这些振荡是相当长寿命，具有典型的生存期的顺序100毫秒。相反，出现的孔的深度几乎完全降低更短的时间后（即，约2毫秒）。然而，这是一个中央的结果，显示的孔深度一系列定期复兴，其寿命是作为在光学晶格减小的深度长。直接势头分辨测量的孔动态，特别是复兴孔的深度，是一个令人兴奋的新结果的观察成为可能，特别控制实验装置的汉堡队。

对于自旋极化的颗粒，动态围定期和谐波捕集电位的组合效应主要是由有一个哈密顿描述。前者决定了能带结构，特征宽度4 ?最低的波段（与?即单粒子的隧穿矩阵元素），而后者则固定它的曲率（ν在文本中），即，粒子移动时支付从陷阱的中心到其最近的相邻晶格点的能量成本。对于大的比例（4 ? / ν ）?，实现了在汉堡的实验中，两个班的本征模式，可以根据自己的能量（ε）。低能量模式（ε < 4 ?）被很好地描述由谐波振荡器的本征态，并作为结果，离域的中心周围的陷阱。当人口由费米子，这些模式允许运输和无阻尼振荡，在实验中观察到。从谐波振荡器频谱发生偏差为ε ?4 ?是由于更正所产生的晶格势。这些更正负责移相偶极子振荡的陷阱，和以前观察到与玻色子只[ 2 ]。高能量模式（ε > 4 ?），在实验中，小心地避免的，而不是关闭位置本征态，即，调和势的任一侧上的本地化。

这种特有的单粒子光谱，其具有解析解[ 3，4 ] 的紧束限制，可以被用来获得一个质的理解两个粒子和空穴的动态。特别是，令人惊讶的复苏的孔深度可以解释退相干和重定相的费米云中的最低频带周期。该相移是不太明显的颗粒由于其较小的编号，以及更大的带宽，在上部带。定量比较实验结果，汉堡队选择了一个特别优雅的理论方法，根据半经典处理[ 5，6，7 ]：带间跃迁时，可以忽略不计，在每个频段的动态映射到非线性单摆运动，其位置和动量方程交换。这种治疗完全解释所观察到的动态的颗粒和孔，这里的负质量的粒子，在凝聚态的标准。具体而言，快速衰减和复苏动态由于价差较大孔相空间的势头，作为结果的小宽度的最低频带。

所以，在了解这个美丽的物理，现在摆在我们面前呢？在他们的工作中，作者给出我们通过呈现结果的生命周期中的粒子的混合物中的原子在两个不同的自旋态的散射长度的函数的第二频带作为一个提示。所示的寿命是强烈地依赖于间的相互作用，并定性地解释的相互作用引起的粒子 - 空穴复合。在传统的凝聚态系统相比，这种互动是在这里完全可调的。结合实验中所证明的系统使用寿命长，此功能调整互动的方式可能会打开新的基本现象的调查，让孔动态和寿命的精确测定互动的作用，无论是在原子和凝聚态型系统，光导有关，例如，。由于他们的理论的治疗方法是利用现有的技术难以实现，这一类的实验，将构成一个新的例子是“有用的量子模拟”[8]。量子模拟器的应用惊心动魄的整个物理学界，因此，最好的故事，似乎是最好的还没有到来。

参考文献

1. ，J. J.海因策Krauser，N.Fl?schner，B.洪特，S.G?tze，AP ITIN，L. Mathey成为K. Sengstock，和C贝克尔，“光学晶格中的超冷费米子的本征光电导，” 物理。快报。 110，085302（2013年）。
2. CD Fertig 等。，运输一类退化的一维玻色气体的晶格中，“ 物理 “强烈抑制。快报。94，120403（2005） 。
3. ，“离散谐振荡器：Mathieu函数和一类新的广义Hermite多项式，” J. M. Aunola 数学。44，1913（2003） 。
4. AM雷伊，G.普皮洛，CW克拉克，和CJ·威廉姆斯，“超冷原子在光晶格加上抛物势：一个封闭的形式方法，” 物理 约束。版本A 72，033616（2005） 。
5. L.Pezzè 等。，“囚禁理想费米气体的绝缘性能，” 物理。快报。 93，120401（2004） 。
6. AR Kolovsky，HJ柯尔施，“布洛赫振荡冷原子在光晶格”的诠释。J. MOD。物理。乙 18，1235（2004） 。
7. 胡利和J. QUINTANILLA，“单原子态密度的光晶格，” 物理。快报。 93，080404（2004） 。
8. JI西拉克和P.佐勒，“目标和量子模拟的机会，” 自然物理 8，264（2012年）。

作者简介：吉普皮洛

圭多普皮洛是在斯特拉斯堡大学的物理学教授和研究院IPCMS和ISIS在法国的斯特拉斯堡，在量子物理实验室主任。在接受他的博士学位 从马里兰大学在2005年，NIST，盖士堡进行的研??究，他曾在奥地利科学院和大学，在那里他接受了他的矿山投资在2011年奥地利因斯布鲁克。他是著名的ERC圣授予2012年法国ANR主席的卓越2012的收件人。他的研究小组进行研究原子，分子和光学物理，和非平衡态量子系统动力学。

作者简介：法比奥梅扎卡波

法比奥梅扎卡波在法国斯特拉斯堡大学，是一位资深的博士后研究人员。他获得哲学博士学位 在大学，加拿大阿尔伯塔省，在2008年的物理学。直到2012年，他在嘉兴，德国的马克斯普朗克量子光学研究所的工作。目前他的主要研究兴趣集中于密切相关的2D费米子体系和量子气体。