Een Swinburne University of Technology-studie die deze week is gepubliceerd, onderzoekt de voortplanting van energie als geluidsgolven in een kwantumgas, onthullen voor het eerst sterke variaties in de aard van de geluidsgolf als functie van de temperatuur.

Bij lage energieën, deze energie reist via de collectieve beweging van veel deeltjes die synchroon bewegen - in wezen, als geluidsgolven - gekwantificeerd met behulp van quasideeltjes die bekend staan ​​als fononen.

Onder de superfluïde overgangstemperatuur T _C deze geluidsgolven in een unitair Fermi-gas kunnen zich zonder botsingen voortplanten en worden aangedreven door rimpelingen in de fase van de superfluïde ordeparameter (golffunctie) - deze modus staat bekend als het Bogoliubov-Anderson (BA) fonon.

Boven T _C , de geluidsgolven worden sterker gedempt, en botsingen spelen een dominante rol.

• lager dan T _C In de koudere, supervloeibare modus, demping wordt gedomineerd door botsingen met thermisch geëxciteerde quasideeltjes en is goed beschreven door (QRPA) theorie
• > t _C Boven de overgangstemperatuur, de sterk gedempte modus treedt op bij de kruising tussen botsingsloze hydrodynamische regimes.
• >> t _C Bij nog hogere temperaturen, collectieve voortplanting van geluidsgolven verdwijnt, en excitatie wordt gedomineerd door de energie van individuele deeltjes.

Er werden sterke overeenkomsten gevonden in de temperatuurafhankelijkheid van geluid in het unitaire Fermi-gas en het gedrag van fononen in vloeibaar helium, wat een van de eerste superfluïden was die historisch werd geïdentificeerd.

Deze studie biedt kwantitatieve benchmarks voor dynamische theorieën van sterk gecorreleerde fermionen.

De ultrakoude atomaire gassen die zijn gevormd en bestudeerd in het laboratorium van prof. Chris Vale in Swinburne, maken een zeer nauwkeurige afstemming van interacties tussen atomen mogelijk.

"We hebben een sterk verdund gas van Li . gekoeld en opgesloten ⁶ atomen, het realiseren van een unitair Fermi-gas, die de sterkste interacties vertoont die mogelijk zijn door de kwantummechanica met een contactpotentiaal, " legt prof Vale uit.

In een unitair gas, elastische botsingen worden resonant en de thermodynamische eigenschappen van het gas worden universele functies van temperatuur en dichtheid. Unitaire Fermi-gassen maken nauwkeurig testen mogelijk van theorieën over interagerende fermionen.

Het team bestudeerde vervolgens excitaties in het gas boven en onder de superfluïde faseovergang T _C met behulp van twee-foton Bragg-spectroscopie.

"We hebben excitatiespectra gemeten bij een momentum van ongeveer de helft van het Fermi-momentum, zowel boven als onder de superfluïde kritische temperatuur T _C , " legt studie auteur Dr. Carlos Kuhn uit.

Twee, gerichte laserpulsen (duur van ongeveer 1,2 milliseconden) die elkaar kruisen in het gas, creëren een periodieke verstoring van de lithiumatomen.

Onmiddellijk na de dubbele laserpuls, de beperkende optische val wordt uitgeschakeld en het momentum van atomen wordt gemeten na 4 milliseconden expansie, en kan worden afgebeeld als een functie van de laserfrequentie.

De eindige duur en grootte van de Bragg-bundels leiden tot een Fourier-beperkte spectrale resolutie van ongeveer 1:25 kHz FWHM, wat ver onder de typische Fermi-energieën ligt, EF 11 kHz, gebruikt in de experimenten.

"Hoge frequentie geluid in een unitair Fermi-gas" werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven (PRL) in maart 2020.

Ultrakoude studies bij FLEET

De studie van veeldeeltjes-kwantumsystemen met sterke interdeeltjesinteracties is van groot belang voor het begrip van nieuwe materialen.

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 beheersen van hun gedrag te onderzoeken.

Chris leidt de studie van kwantumgassen aan de Swinburne University of Technology. In deze verzamelingen atomen afgekoeld tot slechts 100 nano-kelvin 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.

Chris is een van de bijna 100 onderzoekers bij FLEET, allemaal gemotiveerd door één grote uitdaging:het energieverbruik in informatie- en communicatietechnologie (ICT) verminderen, die al goed is voor ten minste 8% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik, en verdubbelt elk decennium.