Een FLEET-studie van ultrakoude atomaire gassen - een miljardste temperatuur van de ruimte - heeft nieuwe, fundamentele kwantumeffecten. De onderzoekers van de Swinburne University of Technology bestudeerden collectieve oscillaties in ultrakoude atomaire gassen, identificeren waar kwantumeffecten optreden om symmetrieën te doorbreken die worden voorspeld door de klassieke fysica. Ze observeerden ook de overgang tussen tweedimensionaal (2-D) gedrag en driedimensionaal (3-D) gedrag.

"Fundamentele ontdekkingen die op basis van dergelijke waarnemingen zijn gedaan, zullen FLEET's zoektocht naar elektronische geleiding informeren zonder verspilde energieverspilling, " legde studie-auteur professor Chris Vale uit.

Tweedimensionale materialen vertonen veel nieuwe fysieke eigenschappen en worden grondig bestudeerd voor hun mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld in ultra-lage energie-elektronica. Echter, sterke correlaties en onvolkomenheden binnen 2D-materialen maken ze theoretisch moeilijk te begrijpen. Kwantumgassen van ultrakoude neutrale atomen helpen de fundamentele fysica van 2D-materialen te ontsluiten, evenals het blootleggen van nieuwe fenomenen die niet gemakkelijk toegankelijk zijn in andere systemen.

Experimenten uitgevoerd met kwantumgassen van ultrakoude neutrale atomen vergroten het begrip van faseovergangen en de effecten van interacties tussen deeltjes. Dit verbeterde vermogen, begrip en controle van faseovergangen zal een directe toepassing hebben in FLEET's ontwikkeling van toekomstige energiezuinige, topologisch gebaseerde elektronica.

Symmetrieën zijn een essentieel ingrediënt in de formulering van veel natuurkundige theorieën, vereenvoudigde beschrijvingen mogelijk maken door te identificeren welke factoren de onderliggende fysieke eigenschappen van een systeem niet wijzigen. Bijvoorbeeld, in een schaalinvariant systeem, het veranderen van de afstanden tussen deeltjes verandert het gedrag van een materiaal niet, maar schaalt het alleen met een geschikte factor. Gassen van ultrakoude atomen beperkt tot een tweedimensionaal vlak stelden de onderzoekers in staat om regimes te verkennen waar die schaalsymmetrie kan worden verbroken door kwantumeffecten.

De onderzoekers bestudeerden een sterk interactief 2-D Fermi-gas van lithium-6-atomen, het meten van de frequentie van een radiale oscillatie die bekend staat als de ademhalingsmodus, waarvan de frequentie wordt bepaald door de samendrukbaarheid van het gas, en is een venster op de thermodynamische toestandsvergelijking. De studie bevestigde dat schaalsymmetrie wordt verbroken in de aanwezigheid van sterke interacties tussen deeltjes, die de thermodynamische relatie tussen de druk en de dichtheid beïnvloedt. Dit wordt een kwantumafwijking genoemd, die optreedt wanneer een symmetrie die aanwezig is in een klassieke theorie wordt verbroken in de overeenkomstige kwantumtheorie.

Metingen van de frequentie van de ademhalingsmodus stelden onderzoekers ook in staat om de evolutie van de thermodynamische toestandsvergelijking tussen de 2D- en 3D-limieten in kaart te brengen. waaruit blijkt dat strikt 2D-gedrag slechts in een zeer beperkt gebied van parameterruimte wordt gevonden. De studie, "Quantum Anomaly en 2-D-3-D Crossover in sterk interagerende Fermi-gassen, " werd vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Binnen VLOOT, Chris Vale bestudeert topologische verschijnselen in 2-D gassen van ultrakoude fermionische atomen, het onderzoeken van koude atoomimplementaties van Floquet topologische superfluïditeit, niet-evenwichtsverbeteringen van de supergeleidende kritische temperatuur en nieuwe vormen van topologische materie op basis van optisch geïnduceerde spin-baankoppeling in 2-D atomaire gassen, in onderzoeksthema 3. FLEET's onderzoeksthema 3 bestudeert systemen die tijdelijk uit thermisch evenwicht worden verdreven om de kwalitatief verschillende weergegeven fysica en nieuwe mogelijkheden voor het dynamisch sturen van hun gedrag te onderzoeken.

Vale leidt de studie van kwantumgassen aan de Swinburne University of Technology. In deze verzamelingen atomen afgekoeld tot slechts 100 nanoKelvin boven het absolute nulpunt, gedragingen die meestal alleen op microscopisch niveau worden gevonden, worden prominent op macroscopisch niveau. De studie van het team van Fermi-gassen beperkt tot 2D test nieuwe paradigma's voor dissipatieloos transport in topologische en niet-evenwichtige kwantummaterie gesynthetiseerd uit ultrakoude atomen.