Wetenschap
Natuurkundigen volgen hoe voortdurende veranderingen in de dimensionaliteit de collectieve eigenschappen van een supervloeistof beïnvloeden
Een internationaal onderzoeksteam uit Innsbruck en Genève heeft voor het eerst de dimensionale crossover voor ultrakoude kwantummaterie onderzocht. In het regime tussen één en twee dimensies nemen de kwantumdeeltjes hun wereld waar als 1D of 2D, afhankelijk van de lengteschaal waarop ze worden onderzocht:voor korte afstanden is hun wereld 1D, maar voor lange afstanden is het 2D.
P>De resultaten verkregen uit correlatiemetingen zijn zojuist gepubliceerd in Nature Physics .
Inwoners van de binnensteden van Manhattan of Miami weten het al lang:voor korte afstanden, tot de lengte van een blok, lijkt de wereld binnen de 'stedelijke canyons' van de stad eendimensionaal. Slechts één richting heeft de voorkeur. Omdat er over langere afstanden dwarsstraten aanwezig zijn, is de wereld echter tweedimensionaal:het is mogelijk dat je de dwarsrichting verkent als je ver genoeg reist.
Kwantumdeeltjes, die bij ultralage temperaturen zijn opgesloten in ‘optische canyons’ met de mogelijkheid om naar naburige canyons te kwantumtunnelen, ‘weten’ ook wat hun dimensionaliteit is:ze zijn 1D voor korte afstanden, maar 2D voor lange afstanden. Dergelijk gedrag is onlangs aan het licht gekomen in een gezamenlijk experiment-theoriewerk van onderzoekers van de afdeling Experimentele Natuurkunde van de Universiteit van Innsbruck en van de afdeling Quantum Matter Physics van de Universiteit van Genève.
Kwantumsystemen in verminderde dimensionaliteit en bij ultralage temperaturen in het regime van superfluïditeit en kwantumdegeneratie zijn een rijk onderzoeksgebied geworden. Tweedimensionale supervloeistoffen kunnen topologische excitaties bevatten, en op elkaar inwerkende eendimensionale systemen beschikken over een groot aantal ongebruikelijke eigenschappen, waarvan fermionisatie van bosonen een van de meest opvallende is.
Er is weinig bekend over het regime van de dimensionale crossover:hoe verbinden sterk interacterende 2D-bosonische supervloeistoffen zich met gefermioniseerde bosonen in 1D? Door koude atomen als onderzoeksplatform te gebruiken, kan de dimensionale crossover nu rechtstreeks in het experiment worden bestudeerd.
In een eerste test onderzochten de natuurkundigen de correlatie-eigenschappen van op elkaar inwerkende bosonen beperkt tot variabele lichtkristallen. In gemengde dimensionaliteit vonden ze een karakteristiek verval met twee hellingen voor de correlatiefunctie van één lichaam, wat het feit weerspiegelt dat de deeltjes tegelijkertijd 1D en 2D zijn.
"Ons systeem is tegelijkertijd 1D en 2D", zegt een van de hoofdauteurs van dit werk, Yanliang Guo, een postdoc in Innsbruck. "Het hangt ervan af hoe we het systeem ondervragen."
Hepeng Yao, een postdoc in Genève die de numerieke simulatie en analyse heeft uitgevoerd met behulp van de modernste quantum Monte Carlo-methoden, is het daarmee eens. "We kunnen nu direct volgen hoe de voortdurende verandering van de dimensionaliteit van een systeem de collectieve eigenschappen van een superfluïde beïnvloedt."
"Onze experimenten hadden een verrassing voor ons in petto", zegt Yanliang Guo. "Met het oog op onze hoogwaardige numerieke modellen kunnen we nu de correlatiemetingen gebruiken om de temperatuur van onze kwantumvloeistoffen in 1D, 2D en daartussenin te bepalen, met zeer hoge precisie. Dit zou de weg kunnen openen naar nieuwe ontdekkingen, bijvoorbeeld voorbeeld voor de verkenning van de ongrijpbare Bose-glasfase."
Hepeng Yao is het daarmee eens:"Als de correlatiemetingen worden uitgevoerd voor bosonen bij zeer lage temperaturen in de aanwezigheid van een willekeurige potentiaal, zouden ze kenmerken van het Bose-glas moeten vertonen."
De resultaten zullen dienen als startpunt voor verder onderzoek naar laagdimensionale kwantummaterie en de dimensionale cross-over ervan.