We kunnen veel leren door microscopische en macroscopische veranderingen in een materiaal te bestuderen terwijl het van de ene fase naar de andere gaat, bijvoorbeeld van ijs naar water naar stoom.

Maar hoewel deze faseovergangen goed worden begrepen in het geval van water, er is veel minder bekend over de dynamiek wanneer een systeem van een normale vloeistof naar een supervloeistof gaat, die kan stromen zonder wrijving, dat wil zeggen zonder energie te verliezen.

Een nieuwe Swinburne-studie die de overgang van een atomair gas van normale vloeistof naar superfluïde observeert, biedt nieuwe inzichten in de vorming van deze opmerkelijke toestanden, met het oog op de toekomst, op supervloeistof gebaseerde, kwantumtechnologieën, zoals elektronica met ultralage energie.

Superfluïde vorming bleek een aantal verschillende tijdschalen te betrekken, geassocieerd met verschillende dynamische processen die plaatsvinden bij het overschrijden van de fasegrens.

Inzicht in dynamische transities, op weg naar toekomstige technologieën

Als een niet-evenwicht, dynamisch proces, faseovergangen zijn een uitdaging om te begrijpen vanuit een theoretisch perspectief, binnen deze fascinerende en potentieel bruikbare toestanden van materie.

Dergelijke niet-evenwichtsverschijnselen in kwantumsystemen met veel lichamen omvatten een complex samenspel van correlaties die enorm verschillende ruimte-tijdschalen omspannen. Toegang tot de volledige dynamiek in de meeste materialen kan worden belemmerd door de ultrakorte tijdschalen.

Toekomstige technologieën gebaseerd op kwantumtoestanden zoals superfluïden of supergeleiders zullen moeten worden 'geschakeld' (aan/uit), dus begrijpen hoe systemen evolueren na het overschakelen beantwoordt belangrijke basisvragen, zoals hoe snel dergelijke apparaten kunnen werken.

Het vormen van een superfluïde omvat de gecorreleerde beweging van de vele microscopische bestanddelen in een grote verzameling kwantummechanische deeltjes.

"Verdunde gassen van ultrakoude atomen echter, metingen van real-time dynamiek op toegankelijke tijdschalen mogelijk maken, " legt hoofdauteur Dr. Paul Dyke (Swinburne) uit.

"Hier gebruiken we een ultrakoud gas van sterk interagerende fermionische atomen (dwz een Fermi-gas), om te bestuderen hoe de correlaties die nodig zijn om een ​​superfluïde te vormen zich ophopen na een plotselinge uitdoving van de interacties. Hierdoor raakt het systeem uit evenwicht."

"Door de daaropvolgende dynamiek te meten wanneer het systeem terugkeert naar evenwicht, kunnen we de verschillende betrokken tijdschalen oplossen, om de verschillende correlaties op te bouwen. Deze tijdschalen zijn afhankelijk van de bijbehorende lengteschalen, met korte-afstandscorrelaties en paarvorming die zich snel ontwikkelen, terwijl de totale momentumverdeling meerdere orden van grootte langer kan duren om evenwicht te bereiken."

Het nieuwe experiment toonde aan dat:

• Vorming en condensatie van fermionparen kan plaatsvinden op zeer verschillende tijdschalen, afhankelijk van de snelheid van de quench.
• De contactparameter blijkt zeer snel te reageren op veranderingen in de interactiesterkte, wat aangeeft dat korteafstandscorrelaties, evolueren veel sneller dan de lange-afstandscorrelaties die nodig zijn om een ​​Bose-Einstein-condensaat van atoomparen te vormen.

De contactparameter kwantificeert de waarschijnlijkheid dat twee atomen zeer dicht bij elkaar worden gevonden, en wordt sterk versterkt wanneer atomen paren vormen.

"Dynamiek van een Fermi-gas dat tot unitariteit is gedoofd" werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven in september 2021.