Bevis for superfluiditet i et dipolært supersolid

Superfluiditet i væsker og gasser kan manifestere sig som et reduceret inertimoment (den rotationsanalog af masse) under langsomme rotationer. Ikke-klassiske rotationseffekter kan også overvejes i de undvigende supersolid faser af stof, hvor superfluiditet kan eksistere side om side med en gitterstruktur. I en ny rapport nu offentliggjort i Videnskab , L. Tanzi og et forskerhold ved National Institute of Optics og Institut for Astronomi ved Universitetet i Firenze i Italien, viste, hvordan en nylig opdaget supersolid fase i dipolære kvantegasser havde et reduceret inertimoment. Holdet studerede en ejendommelig rotationsoscillationstilstand i et harmonisk potentiale for at udlede en supersolid fraktion og give direkte beviser for den supersolid karakter af den dipolære konstruktion.

Supervæsker og supersoliditet

Supervæsker udviser deres mest spektakulære egenskaber under rotation, hvor superfluidtilstanden beskrives ved en makroskopisk bølgefunktion. Fysikere havde allerede verificeret ikke-klassiske rotationseffekter for de fleste kendte superfluider, herunder nukleart stof, gasformige Bose-Einstein kondenserer og degenererer Fermi-gasser. Resultatet er relateret til Meissner-effekten noteret i superledere. I 1960'erne, forskere opdagede en anden type bosonisk fase af stof kendt som et supersolid, beskrevet af en makroskopisk bølgefunktion. I et supersolid, superfluiditet kan eksistere side om side med en krystal-type arkitektur. Fysiker foreslog, at det roterende supersolid ville vise et inertimoment mellem et superfluid og et klassisk system. Dette fænomen er kendt som den ikke-klassiske rotationsinerti (NCRI). Disse observationer af supersoliditet blev primært lavet ved hjælp af fast helium, hvor forskere anvendte torsionsoscillatorer (rotationssystemer) til at detektere NCRI. I dette arbejde, Tanzi et al. undersøgte en anden supersolid-kandidat – et gasformigt Bose-Einstein-kondensat (BEC) af stærkt dipolære atomer.

BEC'erne dannes ved en brøkdel over det absolutte nul og kun i atomer, der fungerer som bosoner, en af ​​to typer af grundlæggende partikler. Når bosoner afkøles til lave nok temperaturer, en væsentlig fraktion går spontant ind i en enkelt kvantetilstand i et fænomen kendt som Bose-Einstein-kondensation (BEC), og de mest berømte eksperimenter er dem, der involverer atomare gasser. Det nyligt opdagede kvantesystem viste et tæthedsmoduleret regime sameksisterende med fasekohærensen, som krævet for supersoliditet. Forskere havde testet den superfluidiske natur ved hjælp af ikke-rotationelle excitationstilstande i forhold til hydrodynamiske ligninger for superfluider. I overensstemmelse med tidligere heliumeksperimenter, Tanzi et al. kun fokuseret på at karakterisere NCRI (ikke-klassisk rotationsinerti) af systemer, for at give direkte bevis for superfluiditet under rotation.

Eksperimenterne

I kvantefysikken, Det er stadig upraktisk at opnå dipolære faste stoffer, der er store nok til at realisere en cylindrisk geometri. Som resultat, forskerne valgte en specifik rotationsteknik, der passer til den asymmetriske, lille system i laboratoriet. De ophidsede derefter systemets såkaldte sakse-mode; en lille vinkel rotationsoscillation af det harmoniske potentiale, der naturligt holder systemet. Teknikken blev tidligere anvendt til at demonstrere superfluiditet i almindelige Bose-Einstein-kondensater (BEC). Tanzi et al. undersøgte den skiftende saksetilstandsfrekvens på tværs af overgangen fra BEC til supersolid-formen for direkte at sammenligne supersolid med et fuldt superflydende system. Under forsøgene, holdet brugte en BEC af stærkt magnetiske Dysprosium (Dy) atomer i en anisotrop harmonisk fælde med frekvenser med dipolerne orienteret i Z-retningen via et magnetfelt. Systemets temperatur var tilstrækkelig lav, og forskerne inducerede overgangen fra BEC til supersolid ved at indstille via en magnetisk Feshbach -resonans og van der Waals interaktionsenergier. Forskerne forventede, at gitteret skulle være sammensat af en klynge supersolid for at bringe systemet ind i et dråbekrystalregime uden sammenhæng mellem dråberne.

Holdet exciterede derefter saksetilstanden og beregnede oscillationsfrekvensen til at være direkte relateret til superfluidens inertimoment. De koblede derefter inertimomentet til en superfluid fraktion specifikt defineret for systemet. Tanzi et al. noterede sig analogien mellem saksetilstanden til helium-torsionsoscillatorerne, da begge systemer detekterede NCRI (ikke-klassisk rotationsinerti) via oscillationsfrekvensen. De eksperimentelle resultater opsummerede saksemålingerne i BEC- og supersolid-regimerne. Holdet afbildede 2-D-densitetsfordelingerne efter en gratis udvidelse af systemet for at repræsentere effektive momentumfordelinger. BEC- og supersolid-regimerne viste enkeltfrekvensoscillationer som forventet for svagt interagerende supervæsker. For at undgå forstyrrelser forårsaget af andre kollektive tilstande i systemet, Tanzi et al. anvendte to forskellige excitationsteknikker til BEC- og supersolid-regimerne. De opnåede derefter et resumé af resultaterne for saksefrekvensen og det relaterede inertimoment og sammenlignede derefter resultaterne med teoretiske forudsigelser. Holdet bemærkede en klar reduktion af frekvensen, da systemet gik ind i supersolid-regimet i overensstemmelse med teorien. Resultaterne gav yderligere bevis for NCRI for det dipolære faste stof. Holdet forklarede mekanismerne vist i dette arbejde ved hjælp af originale forudsigelser lavet for Bose-kondensering i kondenseret stof-systemer.

Outlook

På denne måde L. Tanzi og kolleger etablerede det dipolære supersolids overflødige natur ved at karakterisere dets ikke-klassiske rotationsinerti. Supersolid var forskellig fra standard superfluider på grund af den reducerede superfluidfraktion. Teknikken beskrevet i dette arbejde vil tillade yderligere undersøgelser af fænomenerne i fremtidige undersøgelser. Holdet foreslår at opnå større systemer som en ekstra metode til at studere supersoliders adfærd i ringformet geometri eller i en 2-D konfiguration, mens vi også studerer dynamikken af ​​kvantiserede hvirvler i den supersolid fase.

© 2021 Science X Network