Звуковые волны раскрывают уникальные свойства ультрахолодного квантового газа, модельной системы для описания некоторых сверхпроводников и форм ядерной материи. Новое австралийское исследование рассматривает распространение энергии в виде звуковых волн в квантовом газе, впервые обнаруживая сильные изменения в природе звуковой волны в зависимости от температуры.
При низких температурах, эта энергия проходит через коллективное движение многих частиц, движущихся синхронно. По существу, в виде звуковых волн - количественно определяемых с использованием квазичастиц, известных как фононы.
Ниже температуры сверхтекучего перехода Tc эти звуковые волны в унитарном ферми-газе могут распространяться без столкновений и возбуждаются пульсациями в фазе параметра сверхтекучего порядка (волновая функция) - эта мода известна как фонон Боголюбова-Андерсона (БА).
Выше Tc звуковые волны становятся более сильно затухающими, и столкновения играют доминирующую роль.
Сильные сходства были обнаружены в температурной зависимости звука в унитарном газе Ферми и поведении фононов в жидком гелии, который был одним из первых сверхтекучих жидкостей, выявленных в историческом плане.
Это исследование дает количественные ориентиры для динамических теорий сильно коррелированных фермионов.
Подробнее об исследовании
Ультрахолодные атомные газы, образованные и изученные в лаборатории профессора Криса Вейла в Суинберне, позволяют очень точно настроить взаимодействие между атомами.
«Мы охлаждали и ограничивали сильно разбавленный газ из атомов Li6, создавая унитарный газ Ферми, который демонстрирует самые сильные взаимодействия, допускаемые квантовой механикой, с контактным потенциалом», - объясняет профессор Вейл.
В унитарном газе упругие столкновения становятся резонансными, а термодинамические свойства газа становятся универсальными функциями температуры и плотности. Унитарные ферми-газы позволяют точно проверить теории взаимодействующих фермионов.
Затем команда исследовала возбуждения в газе выше и ниже сверхтекучего фазового перехода Tc с использованием двухфотонной брэгговской спектроскопии.
«Мы измерили спектры возбуждения при импульсе, равном примерно половине импульса Ферми, как выше, так и ниже сверхтекучей критической температуры Tc», - объясняет автор исследования доктор Карлос Кун.
Два сфокусированных лазерных импульса (длительностью около 1,2 миллисекунды), пересекающихся внутри газа, создают периодическое возбуждение для атомов лития.
Сразу после двойного лазерного импульса ограничивающая оптическая ловушка отключается, и импульс атомов измеряется после 4 миллисекунд расширения и может отображаться как функция частоты лазера.
Конечная длительность и размер брэгговских пучков приводят к ограниченному Фурье спектральному разрешению приблизительно 1:25 кГц FWHM, что значительно ниже типичных энергий Ферми, EF 11 кГц, используемых в экспериментах.
Ссылка: «Высокочастотный звук в унитарном ферми-газе» К. С. Н. Куна, С. Хоинки, И. Эрреры, П. Дайка, Дж. Дж. Киннунена, Г. М. Бруна и К. Дж. Vale, 13 апреля 2020 года, Physical Review Letters.