Физики изучили, как ферми-газ реагирует на длинноволновые возмущения плотности при постепенном изменении силы взаимодействия между атомами. Оказалось, что с увеличением этого взаимодействия происходит переход к гидродинамическому режиму, при котором в среде возникают классические звуковые волны. Ученые предложили кинетическую модель на основе модели ферми-жидкости, которая в точности описала наблюдаемые экспериментальные результаты. Исследование опубликовано в Physical Review X.
Чтобы объяснить поведение ферми-жидкости — квантовой жидкости, состоящей из фермионов при сверхнизкой температуре, физики используют теорию ферми-жидкости Ландау. Эта теория опирается на непрерывность перехода от идеального ферми-газа, в котором частицы не взаимодействуют друг с другом, к сильно взаимодействующей системе. Если точнее, то взаимодействующая совокупность фермионов представляется в виде газа квазичастиц, распределение которых в фазовом пространстве совпадает с распределением для идеального газа (с точностью до перенормировки и учета коллективных свойств).
Модель Ландау существенно упростила жизнь физикам, поскольку свела сложную задачу взаимодействия многих тел к набору нескольких феноменологических параметров. С помощью этой теории ученые, например, описали поведение жидкого гелия-3, ядерного вещества и даже скрученного двухслойного графена. При этом экспериментальное подтверждение ключевого факта теории — о плавности перехода от идеального газа к взаимодействующей жидкости, до сих пор не получено.
Хуань Сунь Тао (Songtao Huang) из Йельского университета совместно с коллегами из США и Франции провел серию опытов, в которых физики меняли параметры ферми-газа постепенно и в итоге обнаружили переход к гидродинамическому режиму, в котором по ферми-жидкости прошла звуковая волна.
Авторы работы сосредоточили свое исследование на нормальной фазе вещества, то есть на состоянии с температурой выше, чем температура сверхтекучего перехода. Для этого физики использовали однородный квантовый газ фермионов из изотопов 6Li, которые заключили в оптическую ловушку кубической формы. После настройки желаемой силы взаимодействия между частицами ученые задействовали однородную в пространстве встряхивающую силу. Исследователи измерили среднее положение центра масс системы после встряхивания продолжительностью 500 миллисекунд, когда центр масс достиг устойчивого состояния с частотой колебаний, равной частоте внешнего воздействия.
В конечном счете физики заметили, что при увеличении силы взаимодействия функция отклика плотности стала более симметричной, а затем появилась особенность, указавшая на возникновение коллективного режима во взаимодействующем газе Ферми. Ученые объяснили наблюдаемый феномен с помощью линеаризованного уравнения переноса, в которое включили как взаимодействие квазичастиц, так и эффекты от столкновений этих частиц.
Выведенное уравнение описало два важных режима. Первый — бесстолкновительный, в котором частицы двигались баллистически под действием внешней и внутренней консервативной силы. Звук в этом режиме распространялся только благодаря взаимодействиям на уровне среднего поля без изменения плотности среды (так называемый нулевой звук). Второй режим — гидродинамический, в котором роль столкновений стала решающей, в среде появился классический звук, а изначальное уравнение стало похожим на уравнение Навье — Стокса.
Авторы работы подчеркнули, что предложенное ими описание звуковых волн в ферми-жидкости перестает работать при сильном взаимодействии в системе, поэтому кинетического уравнения переноса для квантовой системы в режиме сильного взаимодействия остается открытой задачей.
О том, как физики услышали затухание звуковых волн в ферми-газе, мы писали ранее.