Studerer excitationsspektret af et fanget dipolært supersolid

Supersolider, faste materialer med superflydende egenskaber (dvs. hvor et stof kan flyde med nul viskositet), er for nylig blevet i fokus for adskillige fysikstudier. Supersolider er paradoksale faser af stof, hvor to adskilte og noget modsatrettede ordener eksisterer side om side, hvilket resulterer i, at et materiale er både krystal og superflydende.

Først forudsagt i slutningen af ​​1960'erne, supersoliditet er efterhånden blevet fokus for et voksende antal forskningsstudier, sætter gang i debat på tværs af forskellige videnskabelige områder. For flere år siden, for eksempel, et team af forskere offentliggjorde kontroversielle resultater, der identificerede denne fase i fast helium, som senere blev frakendt af forfatterne selv.

Et nøgleproblem med denne undersøgelse var, at den ikke tog højde for kompleksiteten af ​​helium og de upålidelige observationer, som det nogle gange kan producere. Ud over, i atomer, interaktioner er typisk meget stærke og stabile, hvilket gør det sværere for denne fase at opstå.

Dipolære kvantegasser ligger i den modsatte yderpunkt af strukturer såsom fast helium, da de er opbygget af ultrakolde magnetiske atomer i gasfasen afkølet til nanokelvin-temperaturer. I disse gasser, derfor, interaktioner mellem atomer er svage, men de er også langtrækkende og kan indstilles med eksternt kontrollerede magnetfelter.

På grund af deres høje grad af tunbarhed, et par år siden, kvantegasser begyndte at dukke op hyppigere i teoriforslag til supersoliditet. De første eksperimenter med gasser koblet til lysfelter viste tilstande med supersolid-lignende egenskaber, men i disse stater, det faste stof forblev usammentrykkeligt.

Endelig, for et par måneder siden, tre forskergrupper, der undersøger ultrakolde gasser af højmagnetiske atomer (en tysk gruppe ledet af Tilman Pfau, en italiensk gruppe ledet af Giovanni Modugno og en gruppe forskere baseret på universitetet i Innsbruck og Institut für Quantenoptik und Quanteninformation ledet af Francesca Ferlaino), samtidig publicerede observationer af tilstande med supersolide egenskaber.

"Vi var i stand til at bevise, at i særlige interaktionsforhold, den magnetiske gas gennemgik en faseovergang til en supersolid tilstand, viser både spontan tæthedsmodulation (dvs. krystal) og global fasekohærens (dvs. superflydende), " fortalte de Innsbruck-baserede forskere til Phys.org via e-mail. "Bemærkelsesværdigt, de supersolide egenskaber opstår virkelig fra de nøgne interpartikelinteraktioner, som har et stærkt dipol-dipol-bidrag."

Med udgangspunkt i disse tidligere resultater, forskerholdet ledet af Francesca Farlaino udførte en ny undersøgelse, der undersøger excitationsspektret af et fanget dipolært supersolid, samle nye interessante observationer. Denne undersøgelse er et vigtigt skridt fremad i at afsløre, hvordan stoffets supersolide tilstand reagerer på excitationer.

"For at undersøge supersoliditet, det er vigtigt at bevise, at et systems superfluid- og krystalkarakter reagerer forskelligt på forstyrrelser, " forklarede forskerne. "Mere generelt, i kvantefysik, ethvert system har iboende excitationstilstande, der karakteriserer, hvordan det reagerer på en forstyrrelse. For eksempel, en klemt guitarstreng reagerer kun med en given frekvens, lave en klar lyd, som et trænet øre kunne genkende som en specifik tone, estimering af strengens egenskaber. Det samme gælder for et kvantesystem; dets excitationsspektrum afslører intim information om dets iboende karakter. At sondere supersolidets excitationer kan således muliggøre ny og dybere indsigt i denne spændende fase."

Svarene observeret af forskerne matcher teoretiske forudsigelser forbundet med supersolider, hvilket tyder på, at de med succes observerede en supersolid tilstand. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , fokuserer specifikt på spektret af elementære excitationer af en dipolær Bose-gas placeret i en 3-D anisotropisk fælde, mens den gennemgår overgangen mellem superfluid og supersolid.

"Vi har taget et vigtigt skridt fremad ved at studere reaktionen på excitationer af systemer, " fortalte forskerne til Phys.org. "Måden et system reagerer på fortæller dig meget om selve systemet. Det er nok at tænke på en ekstern excitation, hvor man kaster en sten på et system, og hvor forskellig responsen er, hvis man kaster denne sten til havet eller på en mur. Dette er blot et eksempel; i stedet for at kaste en sten, vi studerer systemets komprimerbarhed."

I deres undersøgelse, Ferlaino og hendes kolleger undersøgte i det væsentlige excitationstilstandene af den supersolid tilstand produceret fra en kvantegas af erbium-atomer i en cigarformet fælde lavet af lys ved at ændre værdien af ​​et eksternt magnetfelt. I denne eksperimentelle opsætning, tæthedsmodulationen optrådte spontant langs fælden, mens systemet forblev overflødigt.

Forskerne ophidsede derefter systemet globalt ved at forstyrre fælden i samme retning, som tæthedsmodulationen var opstået i. Dette resulterede i excitation af forskellige tilstande, som de undersøgte ved at observere ændringen i mønstrene fra stof-bølge-interferensen af ​​gassen med sig selv (opnået ved at få gassen til at udvide sig) over tid.

"I vores arbejde vi identificerer de forskellige elementære excitationstilstande ved at anvende en modelfri statistisk analyse kaldet Principal Component Analysis på tidsudviklingen af ​​de mønstre, vi observerede, " sagde forskerne. "Vores mest meningsfulde observation var, at den samtidige eksistens af de to ordener - krystal og superfluid - i et supersolid omsættes til bemærkelsesværdige egenskaber ved dets spektrum af elementær excitation, som vi har undersøgt nærmere i vores arbejde."

Tidligere undersøgelser tyder på, at ved den termodynamiske grænse (dvs. i uendelige systemer), eksistensen af ​​både krystal og superfluid egenskaber producerer to grene i excitationsspektret, hver af dem er knyttet til en af ​​ordrerne. Dette resulterer i tilstande, der enten er vibrationer af krystalstrukturen eller strømning af superfluiden, henholdsvis. I deres undersøgelse, Ferlaino og hendes kolleger viste, både teoretisk og eksperimentelt, at dette nøgletræk ved det supersolide spektrum forekommer i laboratoriesystemer, hvor kun få krystalsteder er til stede.

"Eksperimentelt, vi observerede, at systemets reaktion på vores globale excitationsskema ændres fra én til flere exciterede tilstande, når systemet går fra en almindelig superfluid til en supersolid, afspejler multipliciteten af ​​excitationsgrenen i systemet, " forklarede forskerne. "Vigtigt, en klasse af de exciterede tilstande har en faldende energiomkostning, når man bevæger sig dybere ind i det supersolide regime, dvs. når fasens superflydende karakter reduceres. En sådan adfærd karakteriserer de tilstande, der inducerer en superfluidstrøm i dråbearrayet."

Forskerne fandt ud af, at mens det system, de undersøgte i Bose-Einsteins kondensatregime, udviste en almindelig quadrupol oscillation, i det supersolide regime producerede det en spændende to-frekvens respons. Denne respons er forbundet med systemets to spontant brudte symmetrier.

Undersøgelsen udført af Ferlaino og hendes kolleger giver bevis for muligheden for superfluid flow i supersolid tilstand, mens dens solide elasticitet er følsom. For at fastslå deres observationer, imidlertid, forskerne skulle også bevise irrotationaliteten af ​​superfluidstrømmen, for eksempel ved at observere hvirvler. Dette er en af ​​de mange ting, som de håber at opnå i deres fremtidige arbejde.

"Historien om supersolid dipolær gas er stadig en ufuldstændig bog, og mange kapitler mangler at blive skrevet, " sagde forskerne. "F.eks. hvordan udvikler superfluidfraktionen sig langs fasediagrammet? Hvad er karakteren af ​​superfluidstrømmen i et sådant system, og hvordan reagerer systemet på rotation eller på en lokal forstyrrelse? Hvad er de andre funktioner, man kan fange fra supersolidets excitationsspektrum, hvad angår både dens faste elasticitet og dens superflydende fraktion? Dette er kun nogle få af de spændende retninger, som vi kunne udforske i fremtiden."

© 2019 Science X Network