ボソンとフェルミオンのハンベリーブラウンツイス効果の比較

50年前、ハンベリーブラウンとトゥイス（HBT）は、混oticとしたソースによって放出された光の光子束縛を発見し、2光子相関の重要性を強調し、現代の量子光学の発達を刺激しました。バンチングの量子解釈は、2つの不可分な光子を含む振幅間の建設的な干渉に依存しており、その添加物は光子のボーズの性質に密接にリンクしています。原子の冷却と検出の進歩により、Bosonic原子とのHBT効果の原子類似体の観察と完全な特性が生じました。対照的に、フェルミオンはアンチバンチ効果（お互いを避ける傾向）を明らかにする必要があります。フェルミオンのアンチバンチは、破壊的な2粒子干渉に関連しており、同じ量子状態を占めるために複数の同一のフェルミオンを禁止するパウリ原理に関連しています。ここでは、ヘリウムの2つの異なる同位体を使用して、同じ装置におけるフェルミオンおよびボソンのHBT効果の実験的な比較を報告します：（3）He（a fermion）と4he（boson）。原子間の通常の魅力的または反発的な相互作用は無視できます。したがって、私たちが観察する対照的なバンチングおよびアンチバンチ挙動は、各原子種の異なる量子統計に完全に起因する可能性があります。我々の結果は、原子対相関測定を使用して、原子アンサンブルの空間密度または運動量相関の詳細を明らかにする方法を示しています。また、よりエキゾチックな状況の研究を促進する可能性のある、多体系の量子統計に関連する位相効果の直接的な観察を可能にします。

Fifty years ago, Hanbury Brown and Twiss (HBT) discovered photon bunching in light emitted by a chaotic source, highlighting the importance of two-photon correlations and stimulating the development of modern quantum optics. The quantum interpretation of bunching relies on the constructive interference between amplitudes involving two indistinguishable photons, and its additive character is intimately linked to the Bose nature of photons. Advances in atom cooling and detection have led to the observation and full characterization of the atomic analogue of the HBT effect with bosonic atoms. By contrast, fermions should reveal an antibunching effect (a tendency to avoid each other). Antibunching of fermions is associated with destructive two-particle interference, and is related to the Pauli principle forbidding more than one identical fermion to occupy the same quantum state. Here we report an experimental comparison of the fermionic and bosonic HBT effects in the same apparatus, using two different isotopes of helium: (3)He (a fermion) and 4He (a boson). Ordinary attractive or repulsive interactions between atoms are negligible; therefore, the contrasting bunching and antibunching behaviour that we observe can be fully attributed to the different quantum statistics of each atomic species. Our results show how atom-atom correlation measurements can be used to reveal details in the spatial density or momentum correlations in an atomic ensemble. They also enable the direct observation of phase effects linked to the quantum statistics of a many-body system, which may facilitate the study of more exotic situations.