Radio-frequency spectroscopy is used to identify a long-lived, metastable quasiparticle in a lithium–potassium Fermi mixture with strongly repulsive interactions. Metastable states in Fermi gases with strong repulsive interactions are of fundamental interest, but the realization of such systems is challenging because they are intrinsically unstable against decay. Two groups have overcome this obstacle and report the detection of the theoretically predicted repulsive Fermi polarons. Kohstall et al. study a three-dimensional system of ultracold potassium impurities resonantly interacting with a Fermi sea of lithium atoms. The character of the interaction stabilizes the repulsive regime, enabling the authors to detect long-lived, metastable repulsive polarons. Koschorreck et al. study both attractive and repulsive Fermi polarons in a two-dimensional, spin-imbalanced Fermi gas of potassium atoms, and find evidence for a pairing transition. The results from these two studies hold promise for the creation of exotic states with ultracold fermionic atoms, such as ferromagnetic quantum phases. Ultracold Fermi gases with tunable interactions provide a test bed for exploring the many-body physics of strongly interacting quantum systems1,2,3,4. Over the past decade, experiments have investigated many intriguing phenomena, and precise measurements of ground-state properties have provided benchmarks for the development of theoretical descriptions. Metastable states in Fermi gases with strong repulsive interactions5,6,7,8,9,10,11 represent an exciting area of development. The realization of such systems is challenging, because a strong repulsive interaction in an atomic quantum gas implies the existence of a weakly bound molecular state, which makes the system intrinsically unstable against decay. Here we use radio-frequency spectroscopy to measure the complete excitation spectrum of fermionic 40K impurities resonantly interacting with a Fermi sea of 6Li atoms. In particular, we show that a well-defined quasiparticle exists for strongly repulsive interactions. We measure the energy and the lifetime of this 'repulsive polaron'9,12,13, and probe its coherence properties by measuring the quasiparticle residue. The results are well described by a theoretical approach that takes into account the finite effective range of the interaction in our system. We find that when the effective range is of the order of the interparticle spacing, there is a substantial increase in the lifetime of the quasiparticles. The existence of such a long-lived, metastable many-body state offers intriguing prospects for the creation of exotic quantum phases in ultracold, repulsively interacting Fermi gases.

The problem of an impurity particle moving through a bosonic medium plays a fundamental role in physics. However, the canonical scenario of a mobile impurity immersed in a Bose-Einstein condensate (BEC) has not yet been realized. Here, we use radio frequency spectroscopy of ultracold bosonic K39 atoms to experimentally demonstrate the existence of a well-defined quasiparticle state of an impurity interacting with a BEC. We measure the energy of the impurity both for attractive and repulsive interactions, and find excellent agreement with theories that incorporate three-body correlations, both in the weak-coupling limits and across unitarity. The spectral response consists of a well-defined quasiparticle peak at weak coupling, while for increasing interaction strength, the spectrum is strongly broadened and becomes dominated by the many-body continuum of excited states. Crucially, no significant effects of three-body decay are observed. Our results open up exciting prospects for studying mobile impurities in a bosonic environment and strongly interacting Bose systems in general.Received 17 May 2016DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.055302© 2016 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasBose-Einstein condensatesTechniquesMean field theorySpectroscopyCondensed Matter, Materials & Applied PhysicsAtomic, Molecular & OpticalStatistical Physics

In this review, we discuss the properties of a few impurity atoms immersed in a gas of ultracold fermions—the so-called Fermi polaron problem. On one hand, this many-body system is appealing because it can be described almost exactly with simple diagrammatic and/or variational theoretical approaches. On the other, it provides a quantitatively reliable insight into the phase diagram of strongly interacting population-imbalanced quantum mixtures. In particular, we show that the polaron problem can be applied to the study of itinerant ferromagnetism, a long-standing problem in quantum mechanics.

The ability to create and stack different atomically thin transition metal dichacogenide (TMD) layers on top of each other has opened up a rich playground for exploring new and interesting two-dimensional (2D) quantum phases. As a consequence of this remarkable development, there is presently a need for new sensors to probe these 2D layers, since conventional techniques for bulk materials such as x-ray and neutron scattering are inefficient. Here, we develop a general theory for how an exciton in a TMD monolayer couples to spin and charge correlations in an adjacent moiré lattice created by a TMD bilayer. Virtual tunneling of charge carriers, assumed for concreteness to be holes, between the moiré lattice and the monolayer combined with the presence of bound hole-exciton states, i.e., trions, give rise to an effective interaction between the moiré holes and the exciton. In addition to the Umklapp scattering, we show that this interaction is spin-dependent and therefore couples the exciton to the spin correlations of the moiré holes, which may be in- as well as out-of-plane. We then use our theory to examine two specific examples where the moiré holes form in-plane ferromagnetic or antiferromagnetic order. In both cases, the exciton creates spin waves in the moiré lattice, which we analyze by using a self-consistent Born approximation that includes such processes to infinite order. We show that the competition between magnetic order and exciton motion leads to the formation of a well-defined quasiparticle consisting of the exciton surrounded by a cloud of magnetic frustration in the moiré lattice sites below. For the antiferromagnet, we furthermore demonstrate the presence of the elusive geometric string excitations and discuss how they can be observed via their smoking gun energy dependence on the spin-spin coupling, which can be tuned by varying the twist angle of the moiré bilayer. All these phenomena have clear signatures in the exciton spectrum, and as such our results illustrate that excitons are promising quantum probes providing optical access to the spin correlations of new phases predicted to exist in TMD materials. Published by the American Physical Society 2024

Nucleotide variants can cause functional changes by altering protein-RNA binding in various ways that are not easy to predict. This can affect processes such as splicing, nuclear shuttling, and stability of the transcript. Therefore, correct modelling of protein-RNA binding is critical when predicting the effects of sequence variations. Many RNA-binding proteins recognize a diverse set of motifs and binding is typically also dependent on the genomic context, making this task particularly challenging. Here, we present DeepCLIP, the first method for context-aware modeling and predicting protein binding to nucleic acids using exclusively sequence data as input. We show that DeepCLIP outperforms existing methods for modelling RNA-protein binding. Importantly, we demonstrate that DeepCLIP is able to reliably predict the functional effects of contextually dependent nucleotide variants in independent wet lab experiments. Furthermore, we show how DeepCLIP binding profiles can be used in the design of therapeutically relevant antisense oligonucleotides, and to uncover possible position-dependent regulation in a tissue-specific manner. DeepCLIP can be freely used at .Highlights