Uno studio della Swinburne University of Technology pubblicato questa settimana esamina la propagazione dell'energia come onde sonore in un gas quantistico, rivelando per la prima volta forti variazioni nella natura dell'onda sonora in funzione della temperatura.

A basse energie, questa energia viaggia attraverso il movimento collettivo di molte particelle che si muovono in sincronia, essenzialmente, come onde sonore, quantificate usando quasiparticelle note come fononi.

Al di sotto della temperatura di transizione del superfluido T _C queste onde sonore in un gas di Fermi unitario possono propagarsi senza collisioni e sono guidate da increspature nella fase del parametro d'ordine superfluido (funzione d'onda):questa modalità è nota come fonone di Bogoliubov-Anderson (BA).

Sopra T _C , le onde sonore diventano più fortemente smorzate, e le collisioni giocano un ruolo dominante.

• inferiore a T _C Nel più freddo, modalità superfluida, lo smorzamento è dominato da collisioni con quasiparticelle eccitate termicamente ed è ben descritto dalla teoria (QRPA)
• > T _C Al di sopra della temperatura di transizione, la modalità fortemente smorzata si verifica all'incrocio tra regimi idrodinamici senza collisioni.
• >> T _C A temperature ancora più elevate, la propagazione collettiva dell'onda sonora svanisce, e l'eccitazione è dominata dall'energia delle singole particelle.

Sono state identificate forti somiglianze nella dipendenza dalla temperatura del suono nel gas unitario di Fermi e nel comportamento dei fononi nell'elio liquido, che è stato uno dei primi superfluidi identificati storicamente.

Questo studio fornisce parametri quantitativi per le teorie dinamiche dei fermioni fortemente correlati.

I gas atomici ultrafreddi formati e studiati nel laboratorio del professor Chris Vale a Swinburne consentono una regolazione molto precisa delle interazioni tra gli atomi.

"Abbiamo raffreddato e confinato un gas altamente diluito di Li ⁶ atomi, realizzando un gas di Fermi unitario, che mostra le interazioni più forti consentite dalla meccanica quantistica con un potenziale di contatto, " spiega il prof Vale.

In un gas unitario, gli urti elastici diventano risonanti e le proprietà termodinamiche del gas diventano funzioni universali della temperatura e della densità. I gas di Fermi unitari consentono di verificare con precisione le teorie dei fermioni interagenti.

Il team ha quindi studiato le eccitazioni nel gas sopra e sotto la transizione di fase superfluida T _C utilizzando la spettroscopia di Bragg a due fotoni.

"Abbiamo misurato gli spettri di eccitazione a un momento di circa la metà del momento di Fermi, sia al di sopra che al di sotto della temperatura critica del superfluido T _C , " spiega l'autore dello studio, il dott. Carlos Kuhn.

Due, impulsi laser focalizzati (circa 1,2 millisecondi di durata) che si intersecano all'interno del gas creano una perturbazione periodica per gli atomi di litio.

Immediatamente dopo l'impulso laser gemello, la trappola ottica di confinamento viene spenta e il momento degli atomi viene misurato dopo 4 millisecondi di espansione, e può essere mappato in funzione della frequenza laser.

La durata finita e la dimensione dei fasci di Bragg portano ad una risoluzione spettrale limitata di Fourier di circa 1:25 kHz FWHM che è ben al di sotto delle tipiche energie di Fermi, EF 11kHz, utilizzato negli esperimenti.

"Suono ad alta frequenza in un gas di Fermi unitario" è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica (PRL) nel marzo 2020.

Studi ultrafreddi presso FLEET

Lo studio di sistemi quantistici a molti corpi con forti interazioni tra particelle è di grande interesse per la comprensione di nuovi materiali.

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 studiare la fisica qualitativamente diversa visualizzata e le nuove capacità di controllo dinamico del loro comportamento.

Chris conduce lo studio dei gas quantistici alla Swinburne University of Technology. In queste raccolte di atomi raffreddati a soli 100 nano-Kelvin 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.

Chris è uno dei quasi 100 ricercatori di FLEET, tutti motivati ​​da una grande sfida:ridurre l'energia utilizzata nelle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (TIC), che rappresenta già almeno l'8% del consumo globale di elettricità, e raddoppia ogni decennio.