Ultrakolde lithiumatomer kaster lys over pardannelse i supervæsker, hjælpe med at identificere de bedste teorier

Et FLEET/Swinburne-studie udgivet i denne uge løser en langvarig debat om, hvad der sker på mikroskopisk niveau, når stof går over i en superledende eller superflydende tilstand.

Korrelationer mellem atompar i en ultrakold gas viste sig at vokse pludseligt, da systemet blev afkølet under superfluid-overgangstemperaturen, snarere end at dukke op gradvist ved højere temperaturer, som nogle teorier har forudsagt.

Eksperimenter blev udført i Swinburne University of Technologys Ultra-cold Atomic Gas laboratorium, ved hjælp af gasser af lithiumatomer afkølet til temperaturer under 100 nano-Kelvin.

Oplåsende parringsmekanisme af Fermi-gassystemer

Den nye undersøgelse låser op for nøglefunktioner i en tilstand af stof kendt som en 'Fermi-gas', eksempler herpå omfatter elektroner, der bevæger sig frit i en elektrisk leder (såsom i en konventionel elektrisk strøm), eller protoner og neutroner i en kerne. Andre Fermi-gassystemer omfatter mere eksotiske tilstande, såsom elektroner i superledere, eller 'superfluiden' af neutroner i en neutronstjerne.

"Et af de åbne spørgsmål om stærkt interagerende Fermi-gassystemer har været rollen som parring, " forklarer FLEET CI-professor Chris Vale. "Vores undersøgelse viste, at ved superfluid overgangstemperatur, par-korrelationer øges brat, snarere end gradvist - som det er blevet forudsagt af nogle teorier."

Denne observation blev kvantificeret gennem målinger af en universel parameter, kendt som 'kontaktparameteren'. Denne parameter kvantificerer sandsynligheden for at finde to atomer i meget tæt nærhed af hinanden, og er stærkt forstærket, når atomer danner par.

En relateret undersøgelse, af gruppen af ​​Martin Zwierlein ved Massachusetts Institute of Technology og publiceret ryg mod ryg med Swinburne-gruppens papir fundet næsten identiske resultater, ved hjælp af en helt anden metode. Swinburne- og MIT-eksperimenterne repræsenterer et centralt gennembrud i vores forståelse af parring i Fermi-superfluidsystemer med stærke interaktioner mellem partikler.

Eksperimentelle resultater peger på korrekt teori

Swinburne-teamet genererede en enheds-fermi-gas af lithium-6-atomer og undersøgte systemet ved at måle det momentum, der blev givet til atomerne af et par krydsede laserstråler, som forstyrrer gassen på en veldefineret måde. Ud fra disse data, holdet udtog kontaktparameteren, som viste en hurtig stigning på omkring 15%, da temperaturen blev sænket under superfluid overgangspunktet.

Teoretiske forsøg på at beregne temperaturudviklingen af ​​kontaktparameteren er notorisk vanskelige og har givet meget forskellige forudsigelser, der afhænger af modellen for interagerende fermioner. Swinburne- og MIT-eksperimenterne understøtter Luttinger-Ward-teorien, som siger, at parring tænder brat ved overgangstemperaturen.

'Kontakt og sum-regler i en næsten ensartet Fermi-gas ved unitarity' blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve denne uge.