Undersøgelse af egenskaberne af en 2-D fermi gas

Når et nyt fysisk system oprettes eller afsløres, forskere studerer det generelt i dybden for at afsløre dets karakteristiske egenskaber og karakteristika. For eksempel, de kan prøve at bestemme, hvordan systemet reagerer, når det bliver forstyrret, og på hvilke måder denne forstyrrelse typisk forplanter sig igennem den.

For at forklare dette i enklere vendinger, en forsker kan undersøge, hvordan forskellige væsker (f.eks. vand, olie, eller honning) reagerer, når en sten bliver kastet ind i dem. I disse tilfælde, at kaste en sten vil typisk føre til dannelse af bølger, som så ville dæmpe med varierende hastigheder, afhængig af den pågældende væskes viskositet.

Et lignende tilfælde er densitetsexcitationer i gasser. Disse er i det væsentlige tæthedsstigninger, der forplanter sig gennem en gas i form af lydbølger.

Forskere ved Universitetet i Hamburg og Heidelberg Universitet i Tyskland har for nylig udført en undersøgelse, der har til formål at afdække de termodynamiske og transportegenskaber af en 2-D Fermi-gas ved at undersøge, hvordan lydbølger forplanter sig og dæmper i den. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , viser, at det system, de skabte og undersøgte, er et næsten perfekt modelsystem til at undersøge fysikken i stærke korrelationer i reducerede dimensioner.

"Vores eksperiment er blandt de få på verdensplan, hvor ultrakolde 2-D Fermi-gasser produceres og undersøges, "Markus Bohlen, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Disse systemer er fængslende:Samspillet mellem stærke interaktioner og reduceret dimensionalitet fører til fascinerende fænomener, men komplicerer også teoretiske tilgange. Her, kvantegaseksperimenter giver værdifuld indsigt og gør det muligt at studere disse systemer i et rent og kontrolleret miljø."

I deres eksperimenter, Bohlen og hans kolleger satte sig for at måle lydhastigheden og lyddæmpningen i en ultrakold 2-D Fermi-gas, da dette igen ville give dem mulighed for at undersøge dets excitationsegenskaber. At gøre dette, de fokuserede specifikt på udbredelsen og dæmpningen af ​​lydbølger i gassen.

"Lydbølger er svingninger i tæthed, temperatur, tryk, såvel som andre termodynamiske variabler, " Bohlen forklarede. "Disse variabler er ikke uafhængige, men derimod relateret til hinanden via en såkaldt tilstandsligning. Tilstandsligningen bestemmer systemets termodynamiske opførsel, f.eks., hvor meget tættere eller varmere bliver en gas, når den komprimeres?"

I deres undersøgelse, Bohlen og hans kolleger udtrak 2-D Fermi-gassens kompressibilitetsligning fra hastigheden af ​​lydbølger, der forplanter sig inde i den. Fysik teori antyder, at jo hurtigere bølger bevæger sig inde i et system, jo stivere skal systemet være (dvs. jo lavere dens kompressibilitet skal være).

"Et system, der er exciteret ud af ligevægt, vil til sidst slappe af tilbage til sin ligevægtstilstand, " sagde Bohlen. "I en stærkt interagerende gas, afslapningshastigheden bestemmes af gassens viskositet og varmeledningsevnen. Disse såkaldte transportkoefficienter beskriver, hvor hurtigt forskelle i hastighed eller temperatur udlignes gennem mediet. Ved at måle lyddæmpningshastigheden i vores gas, vi kan derfor udlede oplysninger om disse transportkoefficienter."

Målingerne indsamlet af forskerne førte til en række interessante observationer. Først, Bohlen og hans kolleger observerede, at i 2-D Fermi-gassen, lydbølger blev dæmpet mindst ved det regime, hvor atomer interagerede stærkere. Disse resultater kan virke kontraintuitive, da man kunne forvente, at kollisioner mellem partikler ville reducere bølgernes bevægelse. Modsat dette sker kun i tilfælde, hvor der er relativt få kollisioner.

Hvis interaktionerne mellem partikler er meget stærke, imidlertid, ligesom i forskernes eksperiment, situationen ændrer sig drastisk. Dette skyldes, at hyppige kollisioner mellem partikler faktisk forhindrer spredning af energi og dermed hæmmer spredning i stedet for at øge den.

"I det regime, vi fokuserede på, transportkoefficienterne tenderer mod en grænse bestemt af kvantemekanikken, som er blevet formodet i sammenhæng med kvantefeltteorier og observeret for forskellige transportkoefficienter i forskellige systemer, " sagde Bohlen. "Vi kunne bekræfte, at denne grænse overholdes i tilfælde af lyddiffusion i 2-D Fermi-gasser."

Disse fund kaster lidt lys over, hvordan lydbølger forplanter sig og aftager inde i en ultrakold 2-D Fermi-gas, dermed afsløre nogle af dens termodynamiske og transportegenskaber. I fremtiden, den gas, der blev undersøgt i deres papir, kunne bruges til at teste gyldigheden af ​​fysikteorier og modeller relateret til stærkt interagerende Fermi-gasser. I mellemtiden Bohlen og hans kolleger planlægger at udføre nye undersøgelser, der undersøger superfluiditet i den samme 2-D Fermi-gas, som blev undersøgt i deres nylige papir.

"Superfluiditet (og superledning) er tæt forbundet med eksistensen af ​​en såkaldt langrækkende orden, " forklarede Bohlen. "I 2-D geometrier, sådan lang rækkefølge er forbudt, alligevel ser det ud til, at for alle materialer, der viser superledning ved høje temperaturer, 2-D strukturer spiller en afgørende rolle. Vi har for nylig vist, at vores 2-D system er, Ja, en supervæske, og vi vil gerne kaste lys over dimensionalitetens rolle for superfluiditetens robusthed."

© 2020 Science X Network