Een internationaal onderzoeksteam uit Innsbruck en Genève heeft een nieuwe thermometriemethode ontwikkeld om temperaturen te meten voor laagdimensionale kwantumgassen. Met deze methode is gebleken dat het comprimeren van een gas tot afkoeling kan leiden. De resultaten over dit contra-intuïtieve fenomeen zijn zojuist gepubliceerd in Science Advances .

De dagelijkse ervaring leert ons dat compressie verwarmt en expansie afkoelt. Iedereen die wel eens een fietsband heeft opgepompt, weet dat. Voer de kwantumfysica in. In de kwantumwereld gelden speciale regels. Deeltjes die bekend staan ​​als bosonen kunnen gezamenlijk condenseren en supervloeibaar worden. Fermionen vertonen het uitsluitingsprincipe van Pauli en zullen elkaar vermijden.

Bij kleinere afmetingen wordt de situatie lastiger. De rol van kwantumfluctuaties wordt vergroot, en bosonen kunnen fermioniseren als de interacties tussen deeltjes erg sterk zijn.

Met het oog hierop zijn kwantumsystemen in verminderde dimensionaliteit een rijk onderzoeksgebied geworden. Ze worden gebruikt als platform voor kwantumsimulatie. Met name eendimensionale (1D) kwantumdraden hebben brede aandacht getrokken met het oog op de voortdurende miniaturisering van elektronische schakelingen.

Het experimentele platform van koude atomen beperkt tot krappe lichtpotentialen wordt gebruikt om dergelijke kwantumdraden te realiseren en om de eigenschappen van elektronen onder sterke opsluiting kwantum te simuleren.

In een gezamenlijk experimenteel en theoretisch werk, uitgevoerd in Innsbruck bij de afdeling Experimentele Natuurkunde en bij de afdeling Kwantummateriefysica van de Universiteit van Genève, werd ontdekt dat een sterk op elkaar inwerkend kwantumsysteem met meerdere lichamen afkoeling kan ervaren wanneer de dimensionaliteit is verminderd. Een "kwantumband" kan dus afkoelen als hij wordt opgepompt.

Dit effect is tegengesteld aan de verwachtingen en is feitelijk niet voorgesteld of voorzien in de literatuur. De waarneming werd mogelijk door de ontwikkeling van een thermometriemethode die experiment en theorie combineert en die vooral goed werkt bij sterke interacties.

"We zijn in staat temperaturen in 1D te meten met één nano-Kelvin-gevoeligheid", zegt Yanliang Guo, een van de twee hoofdauteurs van dit onderzoek. "We ontdekken dat de temperatuur eerst stijgt van 12,5 nK naar 17 nK wanneer we comprimeren van 3D naar 2D, en vervolgens daalt naar 9 nK wanneer we verder comprimeren naar 1D."

De afkoeling vindt plaats vanwege het samenspel van de sterke laterale opsluiting in 1D en de sterke interacties in het regime waarin de bosonen fermioniseren. In het experiment heeft het team gecontroleerd of sterke interacties in 1D een noodzakelijke vereiste zijn om afkoeling te laten plaatsvinden.

"Een verandering van 12,5 naar 9 nK lijkt niet veel", zegt een van de teamleiders Hanns-Christoph Nägerl. "Maar sinds de eerste resultaten die nu in dit gezamenlijke werk zijn gepubliceerd, zijn we aanzienlijk verbeterd en hebben we temperaturen tot 2 nK gezien met een gevoeligheid van 1 nK."

Het team verwacht dat deze resultaten veel belangstelling zullen wekken in de wetenschappelijke gemeenschap. Laag-dimensionale, sterk gecorreleerde kwantum-veel-deeltjessystemen beschikken over een grote verscheidenheid aan echte kwantumeffecten, en hun onderzoek kan licht werpen op veel raadsels in de natuurkunde, waarbij die van supergeleiding bij hoge temperaturen de meest prominente is, met verstrekkende gevolgen. als het opgelost zou zijn.

In het bijzonder worden lage-D-systemen van ultrakoude atomen nu op grote schaal gebruikt als platform voor kwantumsimulatie, en onlangs is een reeks zeer interessante resultaten verkregen voor systemen in 1D (bijvoorbeeld op het gebied van prethermalisatie, dynamische fermionisatie, abnormale warmtestroom, spin -ladingsscheiding).

"Temperatuur speelt een cruciale rol voor alle kwantumsystemen, en daarom is het van het grootste belang dat we de temperatuur kunnen meten", zegt Hepeng Yao, de hoofdtheoreticus van dit onderzoek. "Tot nu toe is dit echter niet gedaan voor geïsoleerde, sterk gecorreleerde 1D- en 2D-kwantumveeldeeltjessystemen."

Thierry Giamarchi, de teamleider uit Genève, stelt:“Conceptueel vinden we het heel interessant dat de temperatuur kan dalen naarmate de mate van opsluiting toeneemt. Dit is in strijd met de algemene intuïtie en toont de subtiele effecten aan die kunnen optreden in de kwantumwereld."

Meer informatie: Yanliang Guo et al, abnormale afkoeling van bosonen door dimensionale reductie, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6870

Aangeboden door de Universiteit van Innsbruck