Het concept van universele fysica is intrigerend, omdat het onderzoekers in staat stelt om fysieke verschijnselen in verschillende systemen te relateren, ongeacht hun uiteenlopende kenmerken en complexiteit. Ultrakoude atomaire systemen worden vaak gezien als ideale platforms voor het verkennen van universele fysica, dankzij de nauwkeurige controle van experimentele parameters (zoals de interactiesterkte, temperatuur, dichtheid, kwantumtoestanden, dimensionaliteit, en het vangstpotentieel) die wellicht moeilijker af te stemmen zijn op meer conventionele systemen. In feite, ultrakoude atomaire systemen zijn gebruikt om een ​​groot aantal complexe fysieke gedragingen beter te begrijpen, inclusief die onderwerpen in de kosmologie, deeltje, nucleair, moleculaire fysica, en vooral, in de fysica van de gecondenseerde materie, waar de complexiteit van kwantumverschijnselen met veel lichamen moeilijker te onderzoeken zijn met behulp van meer traditionele benaderingen.

Het begrijpen van de toepasbaarheid en de robuustheid van universele fysica is dus van groot belang. Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder hebben een studie uitgevoerd, onlangs te zien in Fysieke beoordelingsbrieven , gericht op het testen van de grenzen van universaliteit in een ultrakoud systeem.

"In tegenstelling tot andere fysieke systemen, het mooie van ultrakoude systemen is dat we soms in staat zijn om het belang van het periodiek systeem te schrappen en het vergelijkbare fenomeen aan te tonen met elke gekozen atoomsoort (of het nu kalium, rubidium, lithium, strontium, enzovoort.), "Romeinse Chapurin, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Universeel gedrag is onafhankelijk van de microscopische details. Het is van groot belang om de beperkingen van universele fenomenen te begrijpen."

Vanwege de weinige aard van interacties in de meeste ultrakoude systemen, onderzoekers moeten een betere kennis verwerven van de fysica van enkele deeltjes om de complexe ultrakoude fenomenen van vele lichamen beter te begrijpen. Het team van NIST en CU Boulder verdiepte zich in het verkennen van de grenzen van universaliteit in een universeel fenomeen met een paar lichamen genaamd Efimov-fysica.

Aanvankelijk getheoretiseerd in de context van kernfysica, dit exotische kwantumfenomeen voorspelt dat sterke interacties tussen twee lichamen de aantrekkingskracht van drie lichamen kunnen bemiddelen en zwak gebonden drie-lichamentoestanden kunnen vormen die Efimov-trimeren worden genoemd. In feite, er zijn een oneindig aantal Efimov-trimeren, waarvan de afmetingen en energieën allemaal met elkaar in verband staan ​​door een universele numerieke factor.

Naast deze universele schaal, onderzoekers merkten later op dat in atomaire systemen, alle Efimov-trimeermaten zijn hetzelfde (in geschaalde eenheden), ongeacht de gekozen atoomsoort of de exacte details in de onderliggende interacties tussen twee lichamen die de krachten van de drie lichamen in de Efimov-fysica bemiddelen. Het laatste universele aspect van de Efimov-fysica staat bekend als "van der Waals-universaliteit, " en werd als waar beschouwd tot de recente studie.

"Het belang van universaliteit in de Efimov-fysica is dat we in staat zijn om het volledige interactiebeeld van een paar lichamen te begrijpen en te voorspellen tot aan willekeurige grote lengteschalen, gegeven alleen brede kennis van de tweelichamenfysica, " zei Chapurin. "Onze meting laat zien dat dit niet altijd het geval is, het aantonen van de eerste afwijking van de universaliteit van Van der Waals en het testen van de grenzen van de universele fysica in een systeem met een paar lichamen."

Chapurin en collega's voerden nauwkeurige metingen van weinig lichaamsdelen uit om de eigenschappen van Efimov-trimeren in een ultrakoud kaliumgas te bepalen. De hoge mate van controle over experimentele parameters, samen met lage statistische en systematische fouten, stelde hen in staat om het eerste overtuigende bewijs van niet-universele Efimov-trimeren te vinden. De onderzoekers ontdekten Efimov-trimeren met afmetingen die aanzienlijk groter zijn dan wat de universele theorie voorspelt.

"Onze metingen, met ongekende precisie, onthulde een verrassend resultaat:de eerste definitieve afwijking van de universaliteit van Van der Waals, " Zei Chapurin. "We hebben de maten van het trimeer van Efimov gemeten om anders te zijn dan wat de universele theorie voorspelt en anders dan alle eerdere metingen in verschillende atoomsoorten."

Om hun observaties beter te begrijpen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw theoretisch model met drie lichamen. Hun model suggereert dat in zeldzame omstandigheden, de microscopische/fijne details in het probleem (in dit geval de complexe spin-interacties) kunnen macroscopische waarneembare waarden, zoals de grootte van de Efimov-trimeren, drastisch beïnvloeden.

"We ontdekten dat een verfijnd drielichamenmodel, gebaseerd op onze nauwkeurige metingen van tweelichameninteracties, misschien wel de meest nauwkeurige meting van tweelichamenfysica in een ultrakoud systeem, kan het waargenomen niet-universele resultaat verklaren, " legde Chapurin uit. "In dit zeldzame geval, de fijne en complexe microscopische details van interacties kraken de universele aard van de Efimov-fysica."

Hoewel experimentele waarnemingen duidelijk wijzen op een sterke afwijking van de universaliteit van Van der Waals, "niet alles wat universeel is, is verloren, " volgens José D'Incao, ook een onderzoeker in het onderzoek. Hij voegde eraan toe dat:"een van de uitgangspunten van universaliteit nog steeds bestaat:door alleen te weten hoe twee atomen op elkaar inwerken, alle lage energie-eigenschappen van Efimov triatomaire systemen kunnen worden afgeleid, zonder de noodzaak om te verwijzen naar de meer traditionele en gecompliceerde chemische krachten met drie lichamen."

De studie uitgevoerd door Chapurin en collega's verzamelde nieuwe fascinerende waarnemingen die het huidige begrip van universaliteit in de fysica van weinig lichamen zouden kunnen verbeteren. Hoewel de onderzoekers een voorlopige verklaring konden geven, veel vragen blijven onbeantwoord.

Bijvoorbeeld, terwijl hun paper inzicht biedt in de waargenomen afwijking van de universaliteit van de eerste Efimov-staat, het effect van dergelijke complexe microscopische fysica op de opeenvolgende Efimov-toestanden (in de oneindige Efimov-reeks) is nog steeds een open vraag. Studies van deze zwak gebonden opeenvolgende toestanden vereisen steeds koudere temperaturen (minder dan een miljardste van een graad boven het absolute nulpunt) die het best kunnen worden bereikt in een microzwaartekrachtomgeving. Het team, die deel uitmaakt van de grotere JILA-samenwerking, hopen deze vraag aan te pakken door toekomstige experimenten uit te voeren in het Cold Atom Laboratory op het internationale ruimtestation.

© 2020 Wetenschap X Netwerk