Wanneer een nieuw fysiek systeem wordt gecreëerd of ontdekt, onderzoekers bestuderen het over het algemeen diepgaand om zijn onderscheidende eigenschappen en kenmerken te onthullen. Bijvoorbeeld, ze kunnen proberen te bepalen hoe het systeem reageert wanneer het wordt verstoord, en op welke manieren deze verstoring zich er doorgaans doorheen voortplant.

Om dit in eenvoudiger bewoordingen uit te leggen, een onderzoeker zou kunnen onderzoeken hoe verschillende vloeistoffen (bijv. water, olie, of honing) reageren als er een steen in wordt gegooid. In deze gevallen, het gooien van een steen zou typisch leiden tot de vorming van golven, die dan zou dempen met verschillende snelheden/snelheden, afhankelijk van de viscositeit van de vloeistof in kwestie.

Een soortgelijk geval is dat van dichtheidsexcitaties in gassen. Dit zijn in wezen dichtheidsverhogingen die zich door een gas voortplanten in de vorm van geluidsgolven.

Onderzoekers van de Universiteit van Hamburg en de Universiteit van Heidelberg in Duitsland hebben onlangs een studie uitgevoerd om de thermodynamische en transporteigenschappen van een 2-D Fermi-gas bloot te leggen door te onderzoeken hoe geluidsgolven zich daarin voortplanten en dempen. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , laat zien dat het systeem dat ze hebben gemaakt en onderzocht een bijna perfect modelsysteem is om de fysica van sterke correlaties in gereduceerde dimensies te onderzoeken.

"Ons experiment is een van de weinige wereldwijd waarin ultrakoude 2-D Fermi-gassen worden geproduceerd en onderzocht, "Markus Bohlen, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Deze systemen zijn boeiend:het samenspel van sterke interacties en verminderde dimensionaliteit leidt tot fascinerende verschijnselen, maar bemoeilijkt ook theoretische benaderingen. Hier, kwantumgasexperimenten bieden waardevolle inzichten en maken het mogelijk om deze systemen in een schone en gecontroleerde omgeving te bestuderen."

In hun experimenten, Bohlen en zijn collega's wilden de geluidssnelheid en geluidsdemping meten in een ultrakoud 2-D Fermi-gas, omdat dit hen op zijn beurt in staat zou stellen om de excitatie-eigenschappen ervan te onderzoeken. Om dit te doen, ze richtten zich specifiek op de voortplanting en demping van geluidsgolven in het gas.

"Geluidsgolven zijn trillingen in dichtheid, temperatuur, druk, evenals andere thermodynamische variabelen, " legde Bohlen uit. "Deze variabelen zijn niet onafhankelijk, maar eerder aan elkaar gerelateerd via een zogenaamde toestandsvergelijking. De toestandsvergelijking bepaalt het thermodynamisch gedrag van het systeem, bijv. hoeveel dichter of heter wordt een gas wanneer het wordt gecomprimeerd?"

In hun studie hebben Bohlen en zijn collega's haalden de samendrukbaarheidsvergelijking van het 2-D Fermi-gas uit de snelheid van de geluidsgolven die zich daarin voortplanten. De natuurkundige theorie suggereert dat de snellere golven binnen een systeem reizen, hoe stijver het systeem moet zijn (d.w.z. hoe lager de samendrukbaarheid moet zijn).

"Een systeem dat uit evenwicht is geëxciteerd, zal uiteindelijk terug ontspannen naar zijn evenwichtstoestand, " zei Bohlen. "In een sterk interactief gas, de mate van relaxatie wordt bepaald door de viscositeit van het gas en de warmtegeleiding. Deze zogenaamde transportcoëfficiënten beschrijven hoe snel verschillen in snelheid of temperatuur door het medium worden geëquilibreerd. Door de dempingssnelheid van geluid in ons gas te meten, we kunnen daarom informatie over deze transportcoëfficiënten afleiden."

De door de onderzoekers verzamelde metingen leidden tot een aantal interessante waarnemingen. Eerst, Bohlen en zijn collega's merkten op dat in het 2-D Fermi-gas, geluidsgolven werden het minst gedempt bij het regime waarin atomen sterker op elkaar inwerkten. Deze bevindingen kunnen contra-intuïtief lijken, zoals je zou verwachten dat botsingen tussen deeltjes de beweging van de golven zouden verminderen. Integendeel, dit komt alleen voor als er relatief weinig aanrijdingen zijn.

Als de interacties tussen deeltjes erg sterk zijn, echter, zoals in het experiment van de onderzoekers, de situatie verandert drastisch. Dit komt omdat frequente botsingen tussen deeltjes de verspreiding van energie in feite voorkomen en dus de dissipatie remmen in plaats van deze te vergroten.

"In het regime waar we ons op richtten, de transportcoëfficiënten neigen naar een limiet bepaald door de kwantummechanica, die is vermoed in de context van kwantumveldentheorieën en waargenomen voor verschillende transportcoëfficiënten in verschillende systemen, " zei Bohlen. "We kunnen bevestigen dat deze limiet wordt nageleefd in het geval van geluidsdiffusie in 2-D Fermi-gassen."

Deze bevindingen werpen enig licht op hoe geluidsgolven zich voortplanten en verdwijnen in een ultrakoud 2-D Fermi-gas, waardoor enkele van zijn thermodynamische en transporteigenschappen worden onthuld. In de toekomst, het gas dat in hun paper wordt onderzocht, kan worden gebruikt om de validiteit van natuurkundige theorieën en modellen met betrekking tot sterk interagerende Fermi-gassen te testen. In de tussentijd, Bohlen en zijn collega's zijn van plan nieuwe onderzoeken uit te voeren naar superfluïditeit in hetzelfde 2-D Fermi-gas dat in hun recente paper is onderzocht.

"Superfluïditeit (en supergeleiding) hangt nauw samen met het bestaan ​​van de zogenaamde langeafstandsorde, " legde Bohlen uit. "In 2D-geometrieën, een dergelijke bestelling op lange termijn is verboden, toch lijkt het erop dat voor alle materialen die supergeleiding vertonen bij hoge temperaturen, 2D-structuren spelen een cruciale rol. We hebben onlangs aangetoond dat ons 2D-systeem, inderdaad, een supervloeibare, en we willen licht werpen op de rol van dimensionaliteit voor de robuustheid van superfluïditeit."

© 2020 Wetenschap X Netwerk