Het 'klotsen' van een kwantumvloeistof bestaande uit licht en materie onthult supervloeibare eigenschappen.

Een door Australië geleid team van natuurkundigen heeft met succes klotsende kwantumvloeistoffen gecreëerd in een 'emmer' gevormd door insluitingslasers.

"Van deze kwantumvloeistoffen wordt verwacht dat ze net zo golvend zijn als de oceanen, maar het vangen van duidelijke foto's van de golven is een experimentele uitdaging, " zegt hoofdauteur Dr. Eliezer Estrecho.

Onder leiding van de Australian National University (ANU), het team observeerde bij toeval de golvende beweging van de kwantumvloeistof in een optisch gestuurde emmer, het verkrijgen van nieuwe inzichten in de intrigerende superfluïde eigenschappen van dit eigenaardige, hybride licht-materie systeem.

Superfluïditeit is de stroom van deeltjes zonder weerstand, en wordt door FLEET-onderzoekers nagestreefd voor toekomstige toepassingen in ultra-lage-energie-elektronica.

Het vullen van de emmer met de kwantumvloeistof leidde tot klotsen

Het team voerde de experimenten uit in een met laser gemaakte 'emmer' die deeltjes opsluit die exciton-polaritonen worden genoemd, die hybride licht-materiedeeltjes in een halfgeleider zijn.

Terwijl deze deeltjes afkoelen, vormen ze een gigantisch kwantumobject dat een Bose-Einstein-condensaat wordt genoemd (soms de vijfde toestand van materie genoemd), waarin kwantumverschijnselen op macroscopische schaal te zien zijn.

"De overtollige energie die verloren gaat door de koeldeeltjes verdwijnt niet gemakkelijk, dus het condensaat zal een soort golvend gedrag vertonen, die willekeurig is voor elke realisatie van de condensatie, " zegt corresponderend auteur prof. Elena Ostrovskaya.

Die willekeur maakt het moeilijk om de tijdelijke oscillaties te detecteren met de beeldcamera's, omdat het in het experiment gemiddeld zal zijn.

Echter, toevallig, de 'emmer' is gekanteld.

"Bij de meeste experimenten we proberen de kanteling te vermijden, omdat het de analyse bemoeilijkt, " zegt dr. Estrecho.

"Maar in dit geval maakte de 'vervelende' kanteling het mogelijk om de oscillatie te observeren omdat het gunstig is voor het condensaat om langs de kantelrichting te klotsen.

De klotsende oscillatie werd waargenomen in zowel de positie als het momentum van het condensaat, prachtig weergeven van de wetten van de kwantummechanica op een macroscopische schaal die kan worden gezien door een gewone microscoop. Echter, de oscillaties zijn extreem snel, zodat het alleen mogelijk was om ze te observeren met een camera met een temporele resolutie op picosecondeschaal.

De geluidssnelheid in superfluïde bestuderen

De ware schoonheid van het experiment ligt in de analyse van de oscillatiefrequenties, omdat het direct gerelateerd is aan de geluidssnelheid en de superfluïde eigenschappen van de kwantumvloeistof kan onderzoeken. Dit is vooral relevant omdat deze eigenaardige kwantumvloeistof bij kamertemperatuur kan bestaan, en is daarom veelbelovend voor apparaattoepassingen.

Met behulp van een slimme analyse, het team heeft de geluidssnelheid uit de experimentele gegevens gehaald, en vond dat het kleiner is dan verwacht van de heersende theorieën. Het team voerde aan dat de discrepantie voortkomt uit het bestaan ​​van een onzichtbaar reservoir van hete materieachtige deeltjes die interageren met de hybride licht-materiedeeltjes.

Verder, het experiment geeft ook aanwijzingen over de mogelijke effecten die de superfluïde kunnen vertragen. Bij absolute nultemperatuur, de oscillaties zullen naar verwachting nooit eindigen, omdat het systeem een ​​superfluïde is. Echter, bij eindige temperatuur, dit is niet het geval, dus het bestuderen van de dempingssnelheden van de oscillaties is essentieel om de superfluïde te begrijpen.

De eerste resultaten laten zien dat noch de reservoirdeeltjes, eindige temperatuur, of de inherente korte levensduur van exciton-polaritonen kan alleen de waargenomen dempingssnelheden verklaren. Vandaar, verdere theoretische studies die deze effecten combineren en zorgvuldig gecontroleerde experimenten zijn nodig om de kwantumvloeistof die niet in evenwicht is beter te begrijpen.

Collectieve oscillaties met lage energie en Bogoliubov-geluid in een exciton-polaritoncondensaat werden gepubliceerd als een suggestie van de redacteur in Fysieke beoordelingsbrieven in februari 2021.