(a) Profilo del treno di solitoni stazionari del parametro d'ordine con vettore d'onda k0 per diversi valori del parametro di nitidezza k1. Solido:k1 =0,65, tratteggiato:k1 =0,999. La nitidezza è impostata dalla spaziatura dei solitoni, forza di interazione, e squilibrio di rotazione. (b) spettro di singola particella BdG del treno di solitoni nella zona estesa, per k1 =0,65. Le frecce mostrano tre tipi di eccitazione particella-foro, che danno luogo a continui disconnessi nello spettro di eccitazione collettiva. Credito:arXiv:1612.04845 [cond-mat.quant-gas]
Le onde solitarie, note come solitoni, appaiono in molte forme. Forse il più riconoscibile è lo tsunami, che si forma a seguito di un'interruzione sul fondo dell'oceano e può viaggiare, senza sosta, ad alta velocità per centinaia di miglia.
Per definizione, un solitone mantiene la sua forma mentre si propaga a velocità costante. Ma cosa succede quando due, o più, solitoni interagiscono? Il consenso generale degli studi precedenti è che i solitoni sono essenzialmente immutati da tale interazione e passano l'uno attraverso l'altro, ma il professore di fisica Erich Mueller e lo studente laureato Shovan Dutta hanno contestato questa nozione in un rapporto appena pubblicato in Lettere di revisione fisica .
La loro carta, "Modi collettivi di un treno Soliton in un superfluido Fermi, " è stato pubblicato il 29 giugno. Entrambi gli uomini lavorano nel Laboratorio di fisica atomica e dello stato solido di Cornell.
Il team ha scoperto qualcosa di drasticamente diverso per i solitoni che interagiscono in un superfluido, che si forma quando un gas di atomi viene raffreddato vicino allo zero assoluto. Non solo i solitoni si influenzano a vicenda, ma possono anche scontrarsi e distruggersi a vicenda.
Recenti esperimenti hanno creato singoli, solitoni di lunga durata in un superfluido. Dutta e Mueller hanno esaminato teoricamente le interazioni all'interno di una vasta gamma di tali solitoni in un superfluido, come il litio-6. Con loro sorpresa, Mueller e Dutta hanno scoperto un'instabilità in cui coppie di solitoni si scontrano e si annichilano a vicenda. Hanno anche trovato una varietà di nuove oscillazioni collettive dei solitoni.
Il tasso di instabilità è sensibile alla separazione dei solitoni e all'interazione tra atomi, entrambi i quali possono essere sintonizzati negli esperimenti. Inoltre, hanno scoperto che l'instabilità poteva essere prevenuta magnetizzando il gas, formando uno stato quantistico esotico discusso per la prima volta negli anni '60 nel contesto dei superconduttori con impurità magnetiche.
Dutta e Mueller iniziarono questo lavoro cercando la supersimmetria nella fisica della materia condensata; nella fisica delle particelle, la teoria della supersimmetria mette in relazione le due classi fondamentali di particelle elementari – bosoni e fermioni – e afferma che per ogni particella di un gruppo, esiste un "superpartner" dall'altro.
"Una direzione in cui stavamo correndo, "Müller ha detto, "era che pensavamo di avere un modo di vedere esplicitamente questa simmetria [nella materia condensata]."
Si è scoperto che non esisteva, Mueller ha detto, ma ciò che lui e Dutta trovarono costituì la base del loro articolo. Nel confrontare le eccitazioni bosoniche e fermioniche del superfluido, hanno esaminato il movimento collettivo di una serie di solitoni e hanno scoperto che le onde – che si erano formate essenzialmente in una dimensione – assumevano diversi movimenti collettivi. Alcuni di loro erano attesi, ma altri, compresa l'instabilità, non erano.
Hanno anche scoperto che l'instabilità potrebbe essere superata dalla magnetizzazione, che forma effettivamente uno squilibrio, fase superfluida spazialmente modulata – nota come stato FFLO – che era stata discussa in termini teorici 50 anni fa ma mai realizzata direttamente negli esperimenti. Questo apre la porta, Dutta ha detto, studiare ulteriormente nuovi stati quantistici e aree correlate, come la superconduttività esotica.
"È stata una sfida di lunga data per una grande comunità di persone, per creare questo stato quantico, " Egli ha detto, "e le nostre scoperte mostrano che si può ingegnerizzarlo direttamente nei gas atomici freddi".
Mueller e Dutta hanno presentato un documento correlato sul loro protocollo per l'ingegneria diretta di questo nuovo stato quantistico. Il loro lavoro amplia la nostra comprensione delle dinamiche di non equilibrio dei sistemi quantistici a molti corpi.
"Se riesci a stabilire gli elementi di base della dinamica di questo sistema, che potrebbe essere visto come un prototipo per sistemi più complicati, allora questo ti dà una certa comprensione di come funziona il mondo quantistico, " Ha aggiunto Dutta.
