Een FLEET/Swinburne-studie die deze week is vrijgegeven, lost een al lang bestaand debat op over wat er op microscopisch niveau gebeurt wanneer materie overgaat in een supergeleidende of superfluïde toestand.

Correlaties tussen paren atomen in een ultrakoud gas bleken plotseling te groeien toen het systeem werd afgekoeld tot onder de superfluïde overgangstemperatuur, in plaats van geleidelijk te verschijnen bij hogere temperaturen, zoals sommige theorieën hebben voorspeld.

Experimenten werden uitgevoerd in het Ultra-koude Atomic Gas-laboratorium van de Swinburne University of Technology, met behulp van gassen van lithiumatomen die zijn afgekoeld tot temperaturen onder 100 nano-kelvin.

Koppelingsmechanisme van Fermi-gassystemen ontgrendelen

De nieuwe studie ontgrendelt belangrijke functies van een toestand van materie die bekend staat als een 'Fermi-gas', voorbeelden hiervan zijn elektronen die vrij bewegen in een elektrische geleider (zoals in een conventionele elektrische stroom), of protonen en neutronen in een kern. Andere Fermi-gassystemen omvatten meer exotische toestanden, zoals elektronen in supergeleiders, of de 'superfluïde' van neutronen in een neutronenster.

"Een van de open vragen over sterk interagerende Fermi-gassystemen was de rol van koppeling, " legt FLEET CI Prof Chris Vale uit. "Onze studie toonde aan dat, bij de superfluïde overgangstemperatuur, paarcorrelaties nemen abrupt toe, in plaats van geleidelijk - zoals door sommige theorieën is voorspeld."

Deze waarneming werd gekwantificeerd door metingen van een universele parameter, bekend als de 'contactparameter'. Deze parameter kwantificeert de kans dat twee atomen heel dicht bij elkaar worden gevonden, en wordt sterk versterkt wanneer atomen paren vormen.

Een verwante studie, door de groep van Martin Zwierlein aan het Massachusetts Institute of Technology en back-to-back gepubliceerd met het artikel van de Swinburne-groep, vond bijna identieke resultaten, een geheel andere methode gebruiken. De experimenten met Swinburne en MIT vertegenwoordigen een belangrijke doorbraak in ons begrip van paring in Fermi-superfluïde systemen met sterke interacties tussen deeltjes.

Experimentele resultaten wijzen op de juiste theorie

Het Swinburne-team genereerde een unitair Fermi-gas van lithium-6-atomen en onderzocht het systeem door het momentum te meten dat aan de atomen werd gegeven door een paar gekruiste laserstralen, die het gas op een goed gedefinieerde manier verstoren. Uit deze gegevens, het team heeft de contactparameter eruit gehaald, die een snelle stijging van ongeveer 15% vertoonde naarmate de temperatuur onder het superfluïde overgangspunt werd verlaagd.

Theoretische pogingen om de temperatuurevolutie van de contactparameter te berekenen zijn notoir moeilijk en hebben zeer verschillende voorspellingen opgeleverd die afhankelijk zijn van het model voor interagerende fermionen. De experimenten van Swinburne en MIT ondersteunen de theorie van Luttinger-Ward, die zegt dat het koppelen abrupt wordt ingeschakeld bij de overgangstemperatuur.

'Contact- en somregels in een bijna uniform Fermi-gas bij unitariteit' werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven deze week.