Analysis of the single-particle excitation spectrum of ultracold fermions in 1D optical lattices

一次元光格子中における冷却フェルミ原子の一粒子励起スペクトルの解析

山本 篤史; 山田 進  ; 町田 昌彦  

Yamamoto, Atsushi; Yamada, Susumu; Machida, Masahiko

近年のレーザー冷却の発展により中性原子気体を極低温まで冷却することで基底状態の性質を追うことが可能になった。冷却原子を用いた研究は実験・理論の両面から精力的に進められている。この系の特徴として、相互作用の強さや格子の形状等を人工的に制御可能であることが挙げられる。この制御性の高さを利用することで、固体物理における超伝導等の量子相転移のメカニズムを明らかにすることが可能である。そのため、光格子系は量子シミュレーターとして期待されている。ごく最近では、冷却フェルミ原子を用いて一粒子励起スペクトルを観測したことが報告されている。本研究では、光格子系で行われる実験に先駆けて光格子中の冷却フェルミ原子の一粒子励起スペクトルについて、動的密度行列繰り込み群法を用いて解析を行う。本発表では、得られた励起スペクトルについてトラップの強度や斥力相互作用の依存性について系統的に明らかにした結果を報告する。なお、本成果は科学技術振興機構受託研究「超伝導新奇応用のためのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション基盤の構築」の研究成果である一方、原子力材料のマルチスケールシミュレーション研究開発にも資する成果である。

We present single-particle excitation spectra of ultracold fermions in one-dimensional(1D) optical lattices by using dynamical density-matrix renormalization group method. In an analysis of weakly-interaction regimes, we find that the spectrum structure changes from a typical Hubbard band as obtained from periodical 1D lattice to band branching as increasing the trap potential, and finally, we observe clear discrete bound-state levels. On the other hand, in case of strongly-interacting regimes, we confirm the multiple flat bound-state levels lying above 1D Tomonaga-Luttinger (TL) liquid spectrum on a central Mott-plateau phase surrounded by metallic regions. Furthermore, we also investigate spectral changes as a metallic state partially emerges at the center region and find one-dimensional TL spectrum breakdown with an emergence of a new dispersive band due to the central metal portion.