strongly paired fermions

48
 Alexandros Gezerlis TALENT/INT Course on Nuclear forces and their impact on structure, reactions and astrophysics July 4, 2013 Strongly paired fermions

Upload: dinhtruc

Post on 31-Dec-2016

226 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Strongly paired fermions

   

Alexandros Gezerlis

TALENT/INT Course onNuclear forces and their impact on structure, reactions and astrophysics

July 4, 2013

Strongly paired fermions

Page 2: Strongly paired fermions

   

Strongly paired fermions

Neutron matter & cold atoms

Page 3: Strongly paired fermions

   

Strongly paired fermions

BCS theory of superconductivity

Page 4: Strongly paired fermions

   

Strongly paired fermions

Beyond weak coupling: Quantum Monte Carlo

Page 5: Strongly paired fermions

   

Strongly paired fermions

Page 6: Strongly paired fermions

   

Bibliography

Michael Tinkham“Introduction to Superconductivity, 2nd ed.”Chapter 3

(readable introduction to  basics of BCS theory)

D. J. Dean & M. Hjorth­Jensen“Pairing in nuclear systems”Rev. Mod. Phys. 75, 607 (2003)

(neutron­star crusts and  finite nuclei)

S. Giorgini, L. P. Pitaevskii, and S. Stringari“Theory of ultracold Fermi gases”Rev. Mod. Phys. 80, 1215 (2008)

(nice snapshot of cold­atom  physics – also strong pairing)

Page 7: Strongly paired fermions

   

How cold are cold atoms?

 1908: Heike Kamerlingh Onnes            liquefied 4He at 4.2 K

 1911: Onnes used 4He to cool down Hg            discovering superconductivity (zero 

  resistivity) at 4.1 K

Page 8: Strongly paired fermions

   

How cold are cold atoms?

 1908: Heike Kamerlingh Onnes            liquefied 4He at 4.2 K

 1911: Onnes used 4He to cool down Hg            discovering superconductivity (zero 

  resistivity) at 4.1 K

 1938: Kapitsa / Allen­Misener find            superfluidity (frictionless flow)            in 4He at 2.2 K

 1972: Osheroff­Richardson­Lee encounter            superfluidity in fermionic 3He at mK

Page 9: Strongly paired fermions

   

How cold are cold atoms?

Credit: Wolfgang Ketterle group

 1908: Heike Kamerlingh Onnes            liquefied 4He at 4.2 K

 1911: Onnes used 4He to cool down Hg            discovering superconductivity (zero 

  resistivity) at 4.1 K

 1938: Kapitsa / Allen­Misener find            superfluidity (frictionless flow)            in 4He at 2.2 K

 1972: Osheroff­Richardson­Lee encounter            superfluidity in fermionic 3He at mK

 1995: Cornell­Wieman / Ketterle create            Bose­Einstein condensation in 8 7Rb at nK 

 2003: Jin / Grimm / Ketterle managed to use           fermionic atoms (4 0K and 6Li)

Page 10: Strongly paired fermions

   

Cold atoms overview

30K foot overview of the experiments

Credit: Martin Zwierlein

● Particles in a (usually anisotropic) trap● Hyperfine states of 6Li or 4 0K (and now both!)● 1, 2, 3 (4?) components; equal populations or polarized gases ● Cooling (laser, sympathetic, evaporative) down to nK(close to low­energy nuclear physics?)

Page 11: Strongly paired fermions

   

Connection between the two

Cold atoms● peV scale● O(10) or O(105) atoms

● Very similar                          ● Weak to intermediate to strong coupling

Neutron matter● MeV scale● O(1057) neutrons

Credit: University of Colorado

Page 12: Strongly paired fermions

   

Fermionic dictionary

Fermi energy:

Energy of a free Fermi gas:

Scattering length:

Fermi wave number:

Number density:

Page 13: Strongly paired fermions

   

Fermionic dictionary

Fermi energy:

Energy of a free Fermi gas:

Scattering length:

Fermi wave number:

Number density:

In what follows, the dimensionless quantity           is called the “coupling”

Page 14: Strongly paired fermions

   

From weak to strong

Weak coupling Strong coupling● ● Studied for decades● Experimentally difficult● Pairing exponentially small● Perturbative expansion

● ● More recent (2000s)● Experimentally probed● Pairing significant● Non­perturbative

Page 15: Strongly paired fermions

   

From weak to strong experimentally

Using “Feshbach” resonances one can tune the couplingCredit: Thesis of Martin Zwierlein

You are here

Credit: Thesis of Cindy Regal

Page 16: Strongly paired fermions

   

From weak to strong experimentally

Using “Feshbach” resonances one can tune the couplingCredit: Thesis of Martin Zwierlein

You are here

Credit: Thesis of Cindy Regal

 In nuclear physics 

 are fixed, so all we can  “tune” is the density

(N.B.: there is no stable dineutron)

Page 17: Strongly paired fermions

   

Strongly paired fermions

Page 18: Strongly paired fermions

   

Normal vs paired

A normal gas of spin­1/2 fermions is described by two Slater determinants (one for spin­up, one for spin­down), which in second quantization can be written as :

The Hamiltonian of the system contains a one­body and a two­body operator:

However, it's been known for many decades that there exists a lower­energy state that includes particles paired with each other

Page 19: Strongly paired fermions

   

BCS theory of superconductivity I

Start out with the wave function:

and you can easily evaluate the average particle number:

(                   )

Page 20: Strongly paired fermions

   

Now, if    is the chemical potential, add           to get:

BCS theory of superconductivity I

Start out with the wave function:

and you can easily evaluate the average particle number:

Now start (again!) with the reduced Hamiltonian:

where                      is the energy of a single particle with momentum 

where

(                   )

Page 21: Strongly paired fermions

   

BCS theory of superconductivity II

A straightforward minimization leads us to define:

Where         is the excitation energy gap, while:

is the quasiparticle excitation energy. Solve self­consistently with the particle­number equation, which also helps define the momentum distribution:

BCS gap equation

Page 22: Strongly paired fermions

   

BCS theory of superconductivity II

A straightforward minimization leads us to define:

Where         is the excitation energy gap, while:

is the quasiparticle excitation energy. Solve self­consistently with the particle­number equation, which also helps define the momentum distribution:

BCS gap equation

Page 23: Strongly paired fermions

   

BCS theory of superconductivity III

Solving the two equations in the continuum:

with and without an effective range gives:

Note that both of these arelarge (see below). One saturates asymptoticallywhile the other closes.

Page 24: Strongly paired fermions

   

BCS at weak coupling

The BCS gap at weak coupling,                   , is exponentially small:

Page 25: Strongly paired fermions

   

BCS at weak coupling

The BCS gap at weak coupling,                   , is exponentially small:

Note that even at vanishing coupling this is not the true answer.A famous result by Gorkov and Melik­Barkhudarov states that due to screening:

the answer is smaller by a factor of                           :

Page 26: Strongly paired fermions

   

Strongly paired fermions

Page 27: Strongly paired fermions

   

Transition temperature below which we have superfluidity,     ,is directly related to the size of the pairing gap at zero temperature.

Fermionic superfluidity

Page 28: Strongly paired fermions

   

Transition temperature below which we have superfluidity,     ,is directly related to the size of the pairing gap at zero temperature.

Fermionic superfluidity

Page 29: Strongly paired fermions

   

Transition temperature below which we have superfluidity,     ,is directly related to the size of the pairing gap at zero temperature.

Fermionic superfluidity

Note: inverse of pairing gap gives coherence length/Cooper pair size.          Small gap means huge Cooper pair. Large gap, smaller pair size.

Page 30: Strongly paired fermions

   

1S0 neutron matter pairing gap

No experiment   no consensus→

Page 31: Strongly paired fermions

   

1S0 neutron matter pairing gap

No experiment   no consensus→

Page 32: Strongly paired fermions

   

Strong pairing

How to handle beyond­BCS pairing?

Quantum Monte Carlo is a dependable, ab initio approach to the many­body problem, unused for pairing in the past, since the gap is given as a difference:

and in traditional systems this energy difference was very small. However, for strongly paired fermions this is different.

Page 33: Strongly paired fermions

   

Continuum Quantum Monte Carlo

Rudiments of Diffusion Monte Carlo:

Page 34: Strongly paired fermions

   

Continuum Quantum Monte Carlo

Rudiments of Diffusion Monte Carlo:

How to do? Start somewhere and evolve

With a standard propagator

Cut up into many time slices

Page 35: Strongly paired fermions

   

Continuum Quantum Monte Carlo

Rudiments of wave functions in Diffusion Monte Carlo

Two Slater determinants, written either using the antisymmetrizer:

Normal gas

Page 36: Strongly paired fermions

   

Continuum Quantum Monte Carlo

Rudiments of wave functions in Diffusion Monte Carlo

Two Slater determinants, written either using the antisymmetrizer:

Normal gas

or actual determinants (e.g. 7 + 7 particles):

Page 37: Strongly paired fermions

   

Continuum Quantum Monte Carlo

Rudiments of wave functions in Diffusion Monte Carlo

BCS determinant for fixed particle number, using the antisymmetrizer:

Superfluid gas

Page 38: Strongly paired fermions

   

Continuum Quantum Monte Carlo

Rudiments of wave functions in Diffusion Monte Carlo

BCS determinant for fixed particle number, using the antisymmetrizer:

Superfluid gas

or, again, a determinant, but this time of pairing functions:

Page 39: Strongly paired fermions

   

Momentum distribution: results

● BCS line is simply

● Quantitatively changes  at strong coupling.  Qualitatively things are  very similar.

G. E. Astrakharchik, J. Boronat, J. Casulleras, and S. Giorgini, Phys. Rev. Lett. 95, 230405 (2005)

ATOMS

Page 40: Strongly paired fermions

   

Quasiparticle dispersion: results

● BCS line is simply

● Both position and size  of minimum change  when going from mean­ field to full ab initio

QMC results from:J. Carlson and S. Reddy, Phys. Rev. Lett. 95, 060401 (2005)

ATOMS

Page 41: Strongly paired fermions

   

Equations of state: results

● Results identical  at low density

● Range important  at high density

● MIT experiment  at unitarity

A. Gezerlis and J. Carlson, Phys. Rev. C 77, 032801 (2008)

Lee­Yang

NEUTRONS

ATOMS

Page 42: Strongly paired fermions

   

Equations of state: comparison

● QMC can go down to  low densities;  agreement with Lee­Yang trend

● At higher densities  all calculations are in  qualitative agreement

A. Gezerlis and J. Carlson, Phys. Rev. C 81, 025803 (2010)

NEUTRONS

Page 43: Strongly paired fermions

   

Pairing gaps: results

● Results identical  at low density

● Range important  at high density

● Two independent MIT  experiments at unitarity

A. Gezerlis and J. Carlson, Phys. Rev. C 77, 032801 (2008)

NEUTRONS

ATOMS

Page 44: Strongly paired fermions

   

Pairing gaps: comparison

● Consistent suppression  with respect to BCS;  similar to Gorkov

● Disagreement with  AFDMC studied  extensively

● Emerging consensus

A. Gezerlis and J. Carlson, Phys. Rev. C 81, 025803 (2010)

NEUTRONS

Page 45: Strongly paired fermions

   

Physical significance: neutron stars

Ultra­dense objectsCredit: Google Maps

● Mass ~ 1.4 – 2.0 solar masses● Radius ~ 10 km● Temperature ~ 106 – 109 K  (which you now know is cold)

● Magnetic fields ~ 108 T● Rotation periods ~ ms to s

Page 46: Strongly paired fermions

   

What about neutron matter?

Neutron­star crust physics Credit: NSAC Long Range Plan 2007

● Neutrons drip● From low to (very) high density

● Interplay of many  areas of physics

● Microscopic constraints important

Page 47: Strongly paired fermions

   

The meaning of it all

Neutron­star crust consequences● Negligible contribution to specific heat consistent  with cooling of transients:E. F. Brown and A. Cumming. Astrophys. J. 698, 1020 (2009).

● Young neutron star cooling curves depend  on the magnitude of the gap:D. Page, J. M. Lattimer, M. Prakash, A. W. Steiner, Astrophys. J. 707, 1131 (2009).

● Superfluid­phonon heat conduction mechanism viable:D. Aguilera, V. Cirigliano, J. Pons, S. Reddy, R. Sharma, Phys. Rev. Lett. 102, 091101 (2009).

N. Chamel, S. Goriely, and J. M. Pearson, Nucl. Phys. A 812, 27 (2008).

● Constraints for Skyrme­HFB calculations of neutron­rich nuclei:

Page 48: Strongly paired fermions

   

Conclusions

● Cold­atom experiments can help constrain nuclear theory

● Pionless theory is smoothly connected to the pionful one in the framework of neutron­star crusts

● Non­perturbative methods can be used to extract pairing gaps in addition to energies