Observer fødslen af ​​en kvasipartikel

I løbet af de sidste årtier, fysikere verden over har forsøgt at få en bedre forståelse af ikke-ligevægtsdynamik i kvante-mange-kropssystemer. Nogle undersøgelser undersøgte, hvad der er kendt som kvasipartikler, forstyrrelser eller enheder i fysiske systemer, der udviser adfærd svarende til partiklers.

Forskere ved Aarhus Universitet har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger ikke-ligevægtsdynamikken af ​​en kvanteurenhed nedsænket i et bosonisk miljø. Deres papir, udgivet i Naturfysik , kaster lys over den dynamiske adfærd af interagerende mange-kropssystemer, samtidig med at den nuværende forståelse af, hvordan Bose-polaroner dannes, forbedres.

"Vores seneste artikel er en del af en omfattende undersøgelse af såkaldte kvasipartikler og er kulminationen på et frugtbart samarbejde mellem eksperimentelle og teoretiske fysikere ved Aarhus Universitet, Magnus G. Skou, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Kvasipartikler er ekstremt interessante, da de kan bestå af utallige partikler og deres excitationer."

Ideen om kvasipartikler blev først introduceret i 1930'erne af fysikeren Lev Landau, som forsøgte at få en bedre forståelse af komplekse kvantesystemer. Eksperimenterne udført af Skou og hans kolleger bygger på modeller skabt af Landau.

I deres studier, forskerne forberedte sammenhængende superpositionstilstande af atomer i et Bose-Einstein-kondensat med en lille urenhedstilstandskomponent ved hjælp af en interferometrisk teknik. Efterfølgende de overvågede udviklingen af ​​disse kvantesuperpositioner og deres overgang til polaroniske kvasipartikler.

Bemærkelsesværdigt, forskerne var i stand til at observere fødslen af ​​en unik klasse af kvasipartikler, kaldet Bose polaroner, for allerførste gang. Mens flere forskningsgrupper tidligere har opdaget tegn på disse kvasipartikler i laboratoriemiljøer, hidtil har det været meget udfordrende at observere deres gradvise dannelse over tid, hovedsagelig fordi de processer, hvorigennem de dannes, er overordentlig hurtige.

"Vi studerede, hvordan urenheder interagerer med et rent medium og omdannes til Bose-polaroner, " Skou forklarede. "Vores eksperimenter blev udført ved hjælp af et medium af atomer kølet ned til en forbløffende lav temperatur på kun en milliardtedel grad over det absolutte nulpunkt, som er langt under temperaturen i det ydre rum."

Ved at bruge en gas af ultrakolde atomer, Skou og hans kolleger var i stand til at studere kvanteurenheder i ekstremt rene og velkontrollerede miljøer. Disse urenheder blev skabt ved at overføre nogle få af de mellemstore atomer til en speciel urenhedskvantetilstand, ved hjælp af en ultrahurtig radiofrekvenspuls på kun 0,5µs.

"Vi fandt ud af, at urenhederne begyndte at interagere dynamisk med mediets atomer, og vi målte denne udvikling ved hjælp af en anden kort radiofrekvenspuls, " sagde Skou. "Dette to-pulsskema gjorde det muligt for os at observere den endelige kvasipartikeldannelse af polaronen."

I deres eksperimenter, Skou og hans kolleger observerede tre forskellige regimer af urenhedsudvikling præget af dynamiske overgange. Disse regimer forbinder derefter den indledende fysiske dynamik med få kroppe og senere mange kroppe.

"Vores undersøgelse er et stort skridt fremad i forståelsen af ​​Bose polaroner, deres ikke-ligevægtsdynamik og hvordan de dannes, " sagde Skou. "Disse kvantefænomener er overordentlig fascinerende i sig selv, men de formodes desuden at være nøgleelementer i eksotiske teknologier såsom organiske halvledere og superledere."

I fremtiden, resultaterne indsamlet af Skou og hans kolleger kunne åbne nye muligheder for at studere ikke-ligevægts kvantefænomener, hvilket igen kunne være med til at danne grundlag for udviklingen af ​​nye halvleder- og superlederbaserede teknologier. I deres næste studier, forskerne planlægger også at undersøge, hvordan polaroner interagerer med hinanden.

"Disse interaktioner er blevet teoretisk forudsagt i 2018 for at gøre det muligt for to polaroner at binde sig til hinanden, som genererer en helt ny kvasipartikel kendt som en Bose-bipolaron, " sagde Skou. "Dette tilføjer et helt nyt lag af spændende, men kompleks kvantefysik. Selvom denne kvasipartikel endnu ikke er set i en ultrakold gas, vi mener, at vores eksperiment kan rumme potentiale til at observere dets eksistens."

© 2021 Science X Network