Superfluïditeit in vloeistoffen en gassen kan zich manifesteren als een verminderd traagheidsmoment (het roterende analoog van massa) bij langzame rotaties. Niet-klassieke rotatie-effecten kunnen ook worden overwogen in de ongrijpbare supervaste fasen van materie waar superfluïditeit naast een roosterstructuur kan bestaan. In een nieuw rapport dat nu gepubliceerd is in Wetenschap , L. Tanzi en een onderzoeksteam van het National Institute of Optics en het Department of Astronomy aan de Universiteit van Florence in Italië, toonde aan hoe een recent ontdekte supervaste fase in dipolaire kwantumgassen een verminderd traagheidsmoment vertoonde. Het team bestudeerde een eigenaardige rotatie-oscillatiemodus in een harmonische potentiaal om een ​​supervaste fractie af te leiden en direct bewijs te leveren van de supervaste aard van het dipolaire construct.

Supervloeistoffen en supersoliditeit

Superfluïden vertonen hun meest spectaculaire eigenschappen tijdens rotatie, waarbij de superfluïde toestand wordt beschreven door een macroscopische golffunctie. Natuurkundigen hadden al niet-klassieke rotatie-effecten geverifieerd voor de meeste bekende supervloeistoffen, waaronder nucleaire materie, gasvormige Bose-Einstein-condensaten en gedegenereerde Fermi-gassen. De uitkomst houdt verband met het Meissner-effect dat wordt opgemerkt in supergeleiders. In de jaren 1960, onderzoekers ontdekten een ander type bosonische fase van materie die bekend staat als een supervaste, beschreven door een macroscopische golffunctie. In een supersolide, superfluïditeit kan naast een kristalachtige architectuur bestaan. Natuurkundige suggereerde dat de roterende supervaste stof een traagheidsmoment zou vertonen tussen een superfluïde en een klassiek systeem. Dit fenomeen staat bekend als de niet-klassieke rotatietraagheid (NCRI). Deze waarnemingen over supersoliditeit werden voornamelijk gedaan met behulp van vast helium, waar onderzoekers torsieoscillatoren (rotatiesystemen) gebruikten om NCRI te detecteren. In dit werk, Tanzi et al. onderzocht een andere supervaste kandidaat - een gasvormig Bose-Einstein-condensaat (BEC) van sterk dipolaire atomen.

De BEC's worden gevormd bij een fractie boven het absolute nulpunt en alleen in atomen die zich gedragen als bosonen, een van de twee soorten fundamentele deeltjes. Wanneer bosonen worden afgekoeld tot voldoende lage temperaturen, een substantiële fractie komt spontaan in een enkele kwantumtoestand terecht in een fenomeen dat bekend staat als Bose-Einstein-condensatie (BEC), en de beroemdste experimenten zijn die met atomaire gassen. Het recent ontdekte kwantumsysteem toonde een dichtheid-gemoduleerd regime dat naast de fasecoherentie bestond, zoals vereist voor supersoliditeit. Onderzoekers hadden de superfluïde aard getest met behulp van niet-roterende excitatiemodi ten opzichte van hydrodynamische vergelijkingen voor superfluïde. In overeenstemming met eerdere heliumexperimenten, Tanzi et al. alleen gericht op het karakteriseren van de NCRI (niet-klassieke rotatietraagheid) van systemen, om direct bewijs te leveren van superfluïditeit onder rotatie.

de experimenten

In de kwantumfysica, Het is nog steeds onpraktisch om dipolaire vaste stoffen te verkrijgen die groot genoeg zijn om een ​​cilindrische geometrie te realiseren. Als resultaat, de onderzoekers selecteerden een specifieke rotatietechniek om te passen bij de asymmetrische, klein systeem in het lab. Ze prikkelden toen de zogenaamde schaarmodus van het systeem; een kleine hoek roterende oscillatie van de harmonische potentiaal die het systeem van nature vasthoudt. De techniek werd eerder gebruikt om superfluïditeit aan te tonen in gewone Bose-Einstein-condensaten (BEC). Tanzi et al. onderzocht de veranderende frequentie van de schaarmodus over de overgang van BEC naar de supervaste vorm om de supervaste stof direct te vergelijken met een volledig supervloeibaar systeem. Tijdens de experimenten, het team gebruikte een BEC van sterk magnetische Dysprosium (Dy) -atomen in een anisotrope harmonische val met frequenties waarbij de dipolen via een magnetisch veld in de Z-richting zijn georiënteerd. De temperatuur van het systeem was voldoende laag en de wetenschappers veroorzaakten de overgang van BEC naar de supervaste stof door afstemming via een magnetische Feshbach-resonantie en van der Waals-interactie-energieën. De wetenschappers verwachtten dat het rooster zou zijn samengesteld uit een supervaste cluster om het systeem in een druppelkristalregime te brengen zonder samenhang tussen de druppeltjes.

Het team prikkelde vervolgens de schaarmodus en berekende dat de oscillatiefrequentie direct gerelateerd was aan het traagheidsmoment van de superfluïde. Vervolgens verbonden ze het traagheidsmoment met een superfluïde fractie die specifiek voor het systeem is gedefinieerd. Tanzi et al. merkte de analogie op van de schaarmodus met de heliumtorsieoscillatoren, aangezien beide systemen NCRI (niet-klassieke rotatietraagheid) detecteerden via de oscillatiefrequentie. De experimentele resultaten vatten de schaarmetingen samen in de BEC- en supersolid-regimes. Het team heeft de 2D-dichtheidsverdelingen in beeld gebracht na een vrije uitbreiding van het systeem om effectieve momentumverdelingen weer te geven. De BEC- en supersolid-regimes vertoonden oscillaties met één frequentie zoals verwacht voor zwak-interagerende superfluïden. Om storingen veroorzaakt door andere collectieve modi in het systeem te voorkomen, Tanzi et al. gebruikten twee verschillende excitatietechnieken voor de BEC en de supersolide regimes. Vervolgens kregen ze een samenvatting van de resultaten voor de schaarfrequentie en het bijbehorende traagheidsmoment en vergeleken de uitkomsten met theoretische voorspellingen. Het team constateerde een duidelijke vermindering van de frequentie toen het systeem het supersolide regime binnenging in overeenstemming met de theorie. De resultaten leverden verder bewijs van NCRI voor de dipolaire vaste stof. Het team legde de mechanismen uit die in dit werk worden getoond met behulp van originele voorspellingen gemaakt voor Bose-condensatie in systemen van gecondenseerde materie.

Outlook

Op deze manier, L. Tanzi en collega's stelden de supervloeibare aard van de dipolaire supervaste stof vast door zijn niet-klassieke rotatietraagheid te karakteriseren. De supervaste stof was anders dan de standaard superfluïde vanwege de verminderde superfluïde fractie. De techniek die in dit werk wordt beschreven, zal verder onderzoek van de verschijnselen in toekomstige studies mogelijk maken. Het team stelt voor om grotere systemen te realiseren als een aanvullende methode om het gedrag van supervaste stoffen in ringvormige geometrie of in een 2D-configuratie te bestuderen, terwijl we ook de dynamiek van gekwantiseerde wervels in de supervaste fase bestuderen.

© 2021 Science X Network