Supercool gennembrud bringer nyt kvante -benchmark

Ved forsigtigt at fremdrive en hvirvlende sky af superafkølede lithiumatomer med et par lasere, og observere atomernes reaktion, forskere ved Swinburne har udviklet en ny måde at undersøge kvantematerialers egenskaber på.

Kvantematerialer - en familie, der omfatter superfluider, superledere, eksotiske magneter, ultrakølede atomer og nyligt opdagede 'topologiske isolatorer'-viser i stor skala nogle af de bemærkelsesværdige kvanteeffekter, der normalt er forbundet med mikroskopiske og subatomære partikler.

Men, mens kvantemekanik forklarer mikroskopiske partiklers adfærd, at anvende kvanteteori på større systemer er langt mere udfordrende.

"Selvom kvantematerialers potentiale, såsom superledere, er ubestridelig, vi er nødt til fuldt ud at forstå den underliggende kvantefysik i spil i disse systemer for at etablere deres sande evner, "siger Chris Vale, lektor ved Center for Kvante- og Optisk Videnskab, der ledede forskningen. "Det er en stor del af motivationen for det, vi laver."

Lektor Vale og hans kolleger, herunder Sascha Hoinka og Paul Dyke, også i Swinburne, udviklet en ny måde at udforske opførslen af ​​denne familie af materialer. De opdagede, når en 'Fermi gas' af lithiumatomer, et enkelt kvantemateriale, indtastet en kvantet 'superfluid' tilstand.

Nyt system kontrollerer teorier mod eksperiment

Deres system tillader teorier om superledning og relaterede kvanteeffekter at blive nøjagtigt kontrolleret mod eksperiment, for at se, om teorierne er korrekte, og hvordan de kunne forfines.

Forskernes fremskridt var baseret på det faktum, at kvantematerialers særlige egenskaber opstår, når deres bestanddele kommer ind i en synkroniseret tilstand. Nulmodstandsstrømmen af ​​elektroner gennem superledere, for eksempel, opstår, når elektroner kan slå sig sammen og danne 'Cooper-par'.

Holdets sofistikerede eksperimentelle opsætning gjorde det muligt at detektere denne koordinerede kvanteadfærd. Ved at finjustere interaktionen mellem deres lasere og Fermi-gassen, Lektor Vale og hans kolleger var for første gang i stand til at opdage det undvigende, lav energi Goldstone -tilstand, en excitation, der kun forekommer i systemer, der har indtastet en synkroniseret kvantetilstand.

"Fordi vores eksperiment giver et velkontrolleret miljø, og udseendet af Goldstone-tilstanden er meget klart, vores målinger giver et benchmark, som kvanteteorier kan testes i forhold til, før de anvendes på mere komplekse systemer som superledere, "Lektor Vale siger.

"Ved at udvikle metoder til at forstå store systemer, der opfører sig kvantemekanisk, vi bygger den videnbase, der vil understøtte fremtidige kvanteaktiverede teknologier."

Teamets forskning er blevet offentliggjort i onlinetidsskriftet Naturfysik .