Nedslidning af kvantevæsker af lys og stof for at undersøge superfluiditet

'Sloshing' af en kvantevæske bestående af lys og stof afslører superfluid egenskaber.

Et australsk ledet hold af fysikere har med succes skabt skvulpende kvantevæsker i en 'spand' dannet af indeslutningslasere.

"Disse kvantevæsker forventes at være lige så bølgede som havene, men at fange klare billeder af bølgerne er en eksperimentel udfordring, " siger hovedforfatter Dr. Eliezer Estrecho.

Ledet af Australian National University (ANU), holdet observerede serendipitalt den bølgende bevægelse af kvantevæsken i en optisk styret spand, at få ny indsigt i de spændende superflydende egenskaber ved denne ejendommelige, hybrid let-stof system.

Superfluiditet er strømmen af ​​partikler uden at lide modstand, og forfølges af FLEET-forskere til fremtidige anvendelser inden for ultralavenergielektronik.

Fyldning af spanden med kvantevæsken førte til skvulp

Holdet udførte eksperimenterne i en laserfremstillet "spand", der fanger partikler kaldet exciton-polaritoner, som er hybride let-stof partikler i en halvleder.

Når disse partikler afkøles, danner de et gigantisk kvanteobjekt kaldet et Bose-Einstein-kondensat (nogle gange omtalt som materiens femte tilstand), hvor kvantefænomener kan ses på en makroskopisk skala.

"Den overskydende energi, der går tabt af kølepartiklerne, forsvinder ikke let, så kondensatet vil vise en form for bølget adfærd, hvilket er tilfældigt for hver realisering af kondenseringen, " siger den tilsvarende forfatter professor Elena Ostrovskaya.

Denne tilfældighed gør det svært at opdage de forbigående svingninger med billedkameraerne, da det vil gennemsnitligt ud i eksperimentet.

Imidlertid, tilfældigvis, 'spanden' vippes.

"I de fleste eksperimenter, vi forsøger at undgå hældningen, da det komplicerer analysen, " siger Dr. Estrecho.

"Men i dette tilfælde muliggjorde den 'irriterende' hældning observation af oscillationen, fordi det er gunstigt for kondensatet at skvulpe langs hældningsretningen.

Den skvulpende oscillation blev observeret i både positionen og momentum af kondensatet, smukt viser kvantemekanikkens love i en makroskopisk skala, der kan ses af et almindeligt mikroskop. Imidlertid, svingningerne er ekstremt hurtige, så det kun var muligt at observere dem ved hjælp af et kamera med en picosecond-skala tidsmæssig opløsning.

Undersøgelse af lydens hastighed i supervæsker

Eksperimentets sande skønhed ligger i analysen af ​​oscillationsfrekvenserne, da det er direkte relateret til lydens hastighed og kan undersøge kvantevæskens superfluidegenskaber. Dette er især relevant, da denne ejendommelige kvantevæske kan eksistere ved stuetemperatur, og er derfor lovende for enhedsapplikationer.

Ved hjælp af en smart analyse, holdet har udtrukket lydens hastighed fra de eksperimentelle data, og fandt ud af, at det er mindre end forventet ud fra gældende teorier. Holdet hævdede, at uoverensstemmelsen opstår fra eksistensen af ​​et usynligt reservoir af varmt stoflignende partikler, der interagerer med de hybride lysstofpartikler.

Desuden, eksperimentet giver også fingerpeg om de mulige effekter, der kan bremse supervæsken. Ved absolut nul temperatur, svingningerne forventes aldrig at ende, da systemet er en superfluid. Imidlertid, ved endelig temperatur, dette er ikke tilfældet, så at studere dæmpningshastighederne for oscillationerne er afgørende for at forstå superfluiden.

De første resultater viser, at hverken reservoirpartiklerne, endelig temperatur, eller exciton-polaritoners iboende korte levetid kan udelukkende forklare de observerede dæmpningshastigheder. Derfor, yderligere teoretiske undersøgelser, der kombinerer disse effekter og omhyggeligt kontrollerede eksperimenter, er nødvendige for bedre at forstå den ikke-ligevægtskvantevæske.

Lavenergi-kollektive svingninger og Bogoliubov-lyd i et exciton-polariton-kondensat blev udgivet som et redaktørforslag i Fysisk gennemgangsbreve i februar 2021.