Præcise målinger finder en revne i universel fysik

Begrebet universel fysik er spændende, da det gør det muligt for forskere at relatere fysiske fænomener i en række forskellige systemer, uanset deres forskellige karakteristika og kompleksitet. Ultrakolde atomsystemer opfattes ofte som ideelle platforme til at udforske universel fysik, på grund af den præcise kontrol af eksperimentelle parametre (såsom interaktionsstyrken, temperatur, massefylde, kvantetilstande, dimensionalitet, og fældepotentialet), der kan være sværere at indstille i mere konventionelle systemer. Faktisk, ultrakolde atomsystemer er blevet brugt til bedre at forstå et utal af kompleks fysisk adfærd, herunder disse emner i kosmologi, partikel, atomisk, molekylær fysik, og mest bemærkelsesværdigt, i det kondenserede stofs fysik, hvor kompleksiteten af ​​mange-krops kvantefænomener er sværere at undersøge ved hjælp af mere traditionelle tilgange.

At forstå anvendeligheden og robustheden af ​​universel fysik er derfor af stor interesse. Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder har udført en undersøgelse, for nylig optrådt i Fysisk gennemgangsbreve , rettet mod at teste grænserne for universalitet i et ultrakoldt system.

"I modsætning til andre fysiske systemer, Skønheden ved ultrakolde systemer er, at vi til tider er i stand til at skrotte vigtigheden af ​​det periodiske system og demonstrere det lignende fænomen med enhver valgt atomart (det være sig kalium, rubidium, lithium, strontium, etc.), "Romerske Chapurin, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Universal adfærd er uafhængig af de mikroskopiske detaljer. At forstå begrænsningerne af universelle fænomener er af stor interesse."

På grund af den få kropslige karakter af interaktioner i de fleste ultrakolde systemer, forskere skal opnå et bedre kendskab til få-partikelfysik for bedre at forstå de komplekse ultrakolde fænomener med mange kroppe. Holdet på NIST og CU Boulder spidsede til med at udforske grænserne for universalitet i et universelt fænomen med få krop kaldet Efimov-fysik.

Oprindeligt teoretiseret i forbindelse med kernefysik, dette eksotiske kvantefænomen forudsiger, at stærke to-krop-interaktioner kan mediere tre-krop-tiltrækning og danne svagt bundne tre-krop-tilstande kaldet Efimov-trimerer. Faktisk, der er et uendeligt antal Efimov-trimere, hvis størrelser og energier alle relaterer til hinanden med en universel numerisk faktor.

Ud over denne universelle skalering, forskere bemærkede senere, at i atomsystemer, alle Efimov-trimerstørrelser er de samme (i omskalerede enheder), uanset udvalgte atomarter eller de nøjagtige detaljer i de underliggende to-legeme-interaktioner, der medierer de tre-legeme-kræfter i Efimov-fysikken. Det sidstnævnte universelle aspekt af Efimov-fysikken er kendt som "van der Waals universalitet, " og blev anset for sand indtil den nylige undersøgelse.

"Vigtigheden af ​​universalitet i Efimov-fysikken er, at vi er i stand til at forstå og forudsige hele få-kroppens interaktionsbillede op til vilkårlige store længdeskalaer, kun givet bred viden om to-legemes fysik, " sagde Chapurin. "Vores måling viser, at dette ikke altid er tilfældet, demonstrerer den første afvigelse fra van der Waals universalitet og tester grænserne for universel fysik i et system med få krop."

Chapurin og kolleger udførte præcise få-kropsmålinger for at bestemme egenskaberne af Efimov-trimere i en ultrakold kaliumgas. Den høje grad af kontrol over eksperimentelle parametre, sammen med få statistiske og systematiske fejl, gjorde det muligt for dem at finde det første overbevisende bevis på ikke-universelle Efimov-trimerer. Forskerne opdagede Efimov-trimere med størrelser, der er væsentligt større, end hvad den universelle teori forudsiger.

"Vores målinger, med hidtil uset præcision, afslørede et overraskende resultat:den første definitive afvigelse fra van der Waals universalitet, " sagde Chapurin. "Vi målte Efimov-trimerstørrelser til at være forskellige fra, hvad universel teori forudsiger og forskellige fra alle tidligere målinger i forskellige atomarter."

For bedre at forstå deres observationer, forskerne udviklede en ny tre-legeme teoretisk model. Deres model antyder, at i sjældne tilfælde, de mikroskopiske/fine detaljer i problemet (i dette tilfælde, de komplekse spin-interaktioner) kan drastisk påvirke makroskopiske observerbare ting, såsom størrelsen af ​​Efimov-trimererne.

"Vi fandt ud af, at en raffineret tre-krop-model baseret på vores præcise målinger af to-krop-interaktioner, uden tvivl den mest nøjagtige måling af to-legemes fysik i et ultrakoldt system, kan redegøre for det observerede ikke-universelle resultat, Chapurin forklarede. "I denne sjældne hændelse, de fine og komplekse mikroskopiske detaljer af interaktioner knækker den universelle natur af Efimov-fysikken."

Selvom eksperimentelle observationer klart peger på en stærk afvigelse fra van der Waals universalitet, "ikke alt, der er universelt, går tabt, " ifølge Jose D'Incao, også forsker i undersøgelsen. Han tilføjede, at:"en af ​​universalitetens præmisser består stadig:ved kun at vide, hvordan to atomer interagerer, alle lavenergiegenskaber af Efimov triatomare systemer kan udledes, uden behov for at henvise til de mere traditionelle og komplicerede kemiske kræfter med tre legeme."

Undersøgelsen udført af Chapurin og kolleger indsamlede nye fascinerende observationer, der kunne forbedre den nuværende forståelse af universalitet i få-legemes fysik. Selvom forskerne var i stand til at give en foreløbig forklaring, mange spørgsmål forbliver ubesvarede.

For eksempel, mens deres papir giver indsigt i den observerede afvigelse fra universalitet af den første Efimov-stat, effekten af ​​en sådan kompleks mikroskopisk fysik på de på hinanden følgende Efimov-tilstande (i den uendelige Efimov-serie) er stadig et åbent spørgsmål. Studier af disse svagt bundne på hinanden følgende tilstande kræver stadigt koldere temperaturer (mindre end en milliardtedel af en grad over det absolutte nulpunkt), som bedst opnås i et mikrogravitationsmiljø. Holdet, som er en del af det større JILA-samarbejde, håber at løse dette spørgsmål ved at udføre fremtidige eksperimenter i Cold Atom Laboratory på den internationale rumstation.

© 2020 Science X Network