Quantum anomali - bryder en klassisk symmetri med ultrakølede atomer

Et FLEET -studie af ultrakølede atomgasser - en milliarddel af temperaturen i det ydre rum - har låst op for nye, grundlæggende kvanteeffekter. Forskerne ved Swinburne University of Technology studerede kollektive svingninger i ultrakølede atomgasser, identificere, hvor kvanteeffekter opstår for at bryde symmetrier forudsagt af klassisk fysik. De observerede også overgangen mellem todimensionel (2-D) adfærd og tredimensionel (3-D) adfærd.

"Grundlæggende opdagelser foretaget af sådanne observationer vil informere FLEETs søgning efter elektronisk ledning uden spild af energi, "forklarede studieforfatter professor Chris Vale.

To-dimensionelle materialer udviser mange nye fysiske egenskaber og studeres grundigt for deres potentielle anvendelser-f.eks. i ultra-lavenergi elektronik. Imidlertid, stærke sammenhænge og ufuldkommenheder inden for 2-D materialer gør dem vanskelige at forstå teoretisk. Kvantegasser af ultrakolde neutrale atomer hjælper med at låse op for den grundlæggende fysik i 2-D-materialer, samt afdække nye fænomener, der ikke er let tilgængelige i andre systemer.

Eksperimenter udført på kvantegasser af ultrakolde neutrale atomer forbedrer forståelsen af ​​faseovergange og virkningerne af interaktioner mellem partikler. Denne forbedrede evne, forståelse og kontrol af faseovergange vil have en direkte anvendelse i FLEETs udvikling af fremtidig lavenergi, topologisk baseret elektronik.

Symmetrier er en vigtig ingrediens i formuleringen af ​​mange fysiksteorier, muliggøre forenklede beskrivelser ved at identificere, hvilke faktorer der ikke ændrer et systems underliggende fysiske egenskaber. For eksempel, i et skala invariant system, ændring af afstande mellem partikler ændrer ikke et materiales adfærd, men skalerer det blot med en passende faktor. Gasser af ultrakølede atomer, der er begrænset til et todimensionalt plan, tillod forskerne at udforske regimer, hvor den skaleringssymmetri kan brydes af kvanteeffekter.

Forskerne studerede en stærkt interagerende 2-D Fermi gas af lithium-6 atomer, måling af frekvensen af ​​en radial svingning kendt som vejrtrækningstilstanden hvis frekvens er indstillet af gaskomprimerbarheden, og er et vindue til den termodynamiske tilstandsligning. Undersøgelsen bekræftede, at skaleringssymmetri er brudt i nærvær af stærke interaktioner mellem partikler, påvirker det termodynamiske forhold mellem tryk og densitet. Dette kaldes en kvante -anomali, som opstår, når en symmetri, der er til stede i en klassisk teori, brydes i den tilsvarende kvanteteori.

Målinger af vejrtrækningstilstandsfrekvens gav også forskere mulighed for at kortlægge udviklingen af ​​den termodynamiske tilstandsligning mellem 2-D og 3-D grænserne, viser, at streng 2-D-adfærd kun findes i et meget begrænset område af parameterrum. Studiet, "Quantum Anomaly og 2-D-3-D Crossover i stærkt interagerende Fermi-gasser, "blev offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve .

Inden for FLEET, Chris Vale studerer topologiske fænomener i 2-D gasser af ultrakølede fermioniske atomer, undersøgelse af implementeringer af kolde atom af Floquet topologisk superfluiditet, ingen balance i forbedringer af den superledende kritiske temperatur og nye former for topologisk stof baseret på optisk induceret spin-orbit-kobling i 2-D-atomgasser, i forskningstema 3. FLEET's forskningstema 3 undersøger systemer, der midlertidigt drives ud af termisk ligevægt for at undersøge den kvalitativt forskellige fysik, der vises, og nye muligheder for dynamisk styring af deres adfærd.

Vale leder undersøgelsen af ​​kvantegasser ved Swinburne University of Technology. I disse samlinger af atomer afkølet til kun 100 nanoKelvin over absolut nul, adfærd, der normalt kun findes på mikroskopisk niveau, bliver fremtrædende på makroskopisk niveau. Teamets undersøgelse af Fermi-gasser begrænset til 2-D tester nye paradigmer for spredningsløs transport i topologisk og ikke-ligevægtskvantemateriale syntetiseret fra ultrakølede atomer.