Suono che si propaga in un gas di Fermi bidimensionale. L'immagine mostra la densità del gas nel tempo, poco dopo che un'onda sonora è stata eccitata. I valori rosso scuro corrispondono ad un'alta densità, valori più leggeri a una bassa densità. Si può vedere un'onda che viaggia su e giù tra i confini del gas più volte mentre il tempo avanza verso destra. Non mostrato:lo smorzamento dell'onda sonora è minimo dove le particelle del gas interagiscono maggiormente. Credito:Bohlen et al.
Quando viene creato o scoperto un nuovo sistema fisico, i ricercatori generalmente lo studiano in profondità per svelare le sue proprietà e caratteristiche distintive. Per esempio, potrebbero provare a determinare come reagisce il sistema quando viene disturbato, e in che modo questo disturbo si propaga tipicamente attraverso di esso.
Per spiegarlo in termini più semplici, un ricercatore potrebbe indagare su come fluidi diversi (ad es. acqua, olio, o miele) rispondono quando vi viene lanciata una pietra. In questi casi, lanciare un sasso porterebbe tipicamente alla formazione di onde, che quindi si smorzerebbe a velocità/velocità variabili, a seconda della viscosità del fluido in questione.
Un caso simile è quello delle eccitazioni di densità nei gas. Si tratta essenzialmente di aumenti di densità che si propagano attraverso un gas sotto forma di onde sonore.
I ricercatori dell'Università di Amburgo e dell'Università di Heidelberg in Germania hanno recentemente condotto uno studio volto a scoprire le proprietà termodinamiche e di trasporto di un gas di Fermi 2-D, esaminando come le onde sonore si propagano e si smorzano al suo interno. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , mostra che il sistema che hanno creato ed esaminato è un sistema modello quasi perfetto per studiare la fisica delle forti correlazioni in dimensioni ridotte.
"Il nostro esperimento è tra i pochi al mondo in cui vengono prodotti e studiati gas di Fermi 2-D ultrafreddi, "Marco Bohlen, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questi sistemi sono accattivanti:l'interazione di interazioni forti e dimensionalità ridotta porta a fenomeni affascinanti, ma complica anche gli approcci teorici. Qui, Gli esperimenti sui gas quantistici forniscono preziose informazioni e consentono di studiare questi sistemi in un ambiente pulito e controllato".
Nei loro esperimenti, Bohlen e i suoi colleghi hanno deciso di misurare la velocità del suono e l'attenuazione del suono in un gas di Fermi 2-D ultrafreddo, poiché ciò a sua volta consentirebbe loro di sondare le sue proprietà di eccitazione. Per fare questo, si sono specificamente concentrati sulla propagazione e sullo smorzamento delle onde sonore nel gas.
"Le onde sonore sono oscillazioni di densità, temperatura, pressione, così come altre variabili termodinamiche, " Bohlen ha spiegato. "Queste variabili non sono indipendenti, ma piuttosto collegati tra loro tramite una cosiddetta equazione di stato. L'equazione di stato determina il comportamento termodinamico del sistema, per esempio., quanto diventa più denso o più caldo un gas quando viene compresso?"
Nel loro studio, Bohlen ei suoi colleghi hanno estratto l'equazione di stato della comprimibilità del gas di Fermi 2-D dalla velocità delle onde sonore che si propagano al suo interno. La teoria fisica suggerisce che le onde più veloci viaggiano all'interno di un sistema, più rigido deve essere il sistema (cioè, minore deve essere la sua comprimibilità).
"Un sistema che è eccitato fuori dall'equilibrio alla fine si rilasserà nel suo stato di equilibrio, " ha detto Bohlen. "In un gas fortemente interagente, la velocità di rilassamento è determinata dalla viscosità del gas e dalla conduttività termica. Questi cosiddetti coefficienti di trasporto descrivono la velocità con cui le differenze di velocità o temperatura vengono equilibrate attraverso il mezzo. Misurando il tasso di smorzamento del suono nel nostro gas, possiamo quindi dedurre informazioni su questi coefficienti di trasporto."
Le misurazioni raccolte dai ricercatori hanno portato a una serie di osservazioni interessanti. Primo, Bohlen e i suoi colleghi hanno osservato che nel gas di Fermi 2-D, le onde sonore erano meno smorzate nel regime in cui gli atomi interagivano più fortemente. Questi risultati possono sembrare controintuitivi, come ci si potrebbe aspettare che le collisioni tra le particelle riducano il moto delle onde. Al contrario, questo si verifica solo nei casi in cui ci sono relativamente poche collisioni.
Se le interazioni tra le particelle sono molto forti, però, come nell'esperimento dei ricercatori, la situazione cambia drasticamente. Questo perché frequenti collisioni tra particelle in realtà impediscono la dispersione di energia e quindi inibiscono la dissipazione piuttosto che aumentarla.
"Nel regime su cui ci siamo concentrati, i coefficienti di trasporto tendono verso un limite determinato dalla meccanica quantistica, che è stato congetturato nel contesto delle teorie quantistiche dei campi e osservato per diversi coefficienti di trasporto in vari sistemi, " ha detto Bohlen. "Possiamo confermare che questo limite è rispettato nel caso della diffusione del suono nei gas di Fermi 2-D".
Questi risultati fanno luce su come le onde sonore si propagano e si placano all'interno di un gas di Fermi 2-D ultrafreddo, svelando così alcune delle sue proprietà termodinamiche e di trasporto. Nel futuro, il gas esaminato nel loro articolo potrebbe essere utilizzato per testare la validità delle teorie e dei modelli fisici relativi ai gas di Fermi fortemente interagenti. Nel frattempo, Bohlen e i suoi colleghi hanno in programma di condurre nuovi studi sulla superfluidità nello stesso gas di Fermi 2-D esaminato nel loro recente articolo.
"La superfluidità (e la superconduttività) è strettamente correlata all'esistenza del cosiddetto ordine a lungo raggio, " ha spiegato Bohlen. "Nelle geometrie 2-D, tale ordine a lungo raggio è proibito, eppure sembra che per tutti i materiali che mostrano superconduttività ad alte temperature, Le strutture 2-D giocano un ruolo cruciale. Abbiamo recentemente dimostrato che il nostro sistema 2-D è, infatti, un superfluido, e vorremmo far luce sul ruolo della dimensionalità per la robustezza della superfluidità."
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