Uno studio FLEET sui gas atomici ultrafreddi, un miliardesimo della temperatura dello spazio esterno, ha scoperto nuovi, effetti quantistici fondamentali. I ricercatori della Swinburne University of Technology hanno studiato le oscillazioni collettive nei gas atomici ultrafreddi, identificare dove si verificano gli effetti quantistici per rompere le simmetrie previste dalla fisica classica. Hanno anche osservato la transizione tra il comportamento bidimensionale (2-D) e il comportamento tridimensionale (3-D).

"Le scoperte fondamentali fatte da tali osservazioni informeranno la ricerca di FLEET per la conduzione elettronica senza dissipazione sprecata di energia, ", ha spiegato l'autore dello studio, il professor Chris Vale.

I materiali bidimensionali mostrano molte nuove proprietà fisiche e sono attentamente studiati per i loro potenziali usi, ad esempio, nell'elettronica a bassissima energia. Però, forti correlazioni e imperfezioni all'interno dei materiali 2-D li rendono difficili da capire in teoria. I gas quantistici di atomi neutri ultrafreddi aiuteranno a sbloccare la fisica fondamentale dei materiali 2-D, oltre a scoprire nuovi fenomeni che non sono facilmente accessibili in altri sistemi.

Gli esperimenti eseguiti sui gas quantistici di atomi neutri ultrafreddi migliorano la comprensione delle transizioni di fase e degli effetti delle interazioni tra le particelle. Questa capacità migliorata, la comprensione e il controllo delle transizioni di fase avranno un'applicazione diretta nello sviluppo di FLEET del futuro a bassa energia, elettronica a base topologica.

Le simmetrie sono un ingrediente essenziale nella formulazione di molte teorie fisiche, consentendo descrizioni semplificate identificando quali fattori non modificano le proprietà fisiche sottostanti di un sistema. Per esempio, in un sistema invariante di scala, cambiare le distanze tra le particelle non altera il comportamento di un materiale ma semplicemente lo ridimensiona di un fattore appropriato. I gas di atomi ultrafreddi confinati su un piano bidimensionale hanno permesso ai ricercatori di esplorare regimi in cui tale simmetria di scala può essere interrotta da effetti quantistici.

I ricercatori hanno studiato un gas di Fermi 2-D a forte interazione di atomi di litio-6, misurare la frequenza di un'oscillazione radiale nota come modalità di respirazione, la cui frequenza è fissata dalla comprimibilità del gas, ed è una finestra sull'equazione di stato termodinamica. Lo studio ha confermato che la simmetria di scala è rotta in presenza di forti interazioni tra particelle, influenzando la relazione termodinamica tra la pressione e la densità. Questa si chiama anomalia quantistica, che si verifica quando una simmetria presente in una teoria classica viene rotta nella corrispondente teoria quantistica.

Le misurazioni della frequenza della modalità di respirazione hanno anche permesso ai ricercatori di mappare l'evoluzione dell'equazione di stato termodinamica tra i limiti 2-D e 3-D, mostrando che il comportamento 2D rigoroso si trova solo in una regione molto limitata dello spazio dei parametri. Lo studio, "Anomalia quantistica e crossover 2-D-3-D in gas di Fermi fortemente interagenti, " è stato pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica .

All'interno della FLOTTA, Chris Vale studia i fenomeni topologici nei gas 2-D di atomi fermionici ultrafreddi, studiando le implementazioni dell'atomo freddo della superfluidità topologica di Floquet, miglioramenti del non equilibrio alla temperatura critica superconduttiva e nuove forme di materia topologica basate sull'accoppiamento spin-orbita indotto otticamente in gas atomici 2-D, nel tema di ricerca 3. Il tema di ricerca 3 di FLEET studia i sistemi che vengono temporaneamente espulsi dall'equilibrio termico per indagare la fisica qualitativamente diversa visualizzata e le nuove capacità di controllo dinamico del loro comportamento.

Vale conduce lo studio sui gas quantistici alla Swinburne University of Technology. In queste raccolte di atomi raffreddati a soli 100 nanoKelvin sopra lo zero assoluto, comportamenti che di solito si trovano solo a livello microscopico diventano prominenti a livello macroscopico. Lo studio del team sui gas di Fermi confinati a 2-D testa nuovi paradigmi per il trasporto senza dissipazione nella materia quantistica topologica e di non equilibrio sintetizzata da atomi ultrafreddi.