Eksotiske faseovergange låser veje mod superfluidbaserede teknologier

Vi kan lære meget ved at studere mikroskopiske og makroskopiske ændringer i et materiale, når det krydser fra en fase til en anden, for eksempel fra is til vand til damp.

Men selvom disse faseovergange er godt forstået i tilfælde af vand, meget mindre er kendt om dynamikken, når et system går fra at være et normalt væske til et superfluid, som kan flyde med nul friktion, altså uden at miste nogen energi.

En ny Swinburne -undersøgelse, der observerede overgangen af ​​en atomgas fra normal væske til superfluid, giver ny indsigt i dannelsen af ​​disse bemærkelsesværdige tilstande, med henblik på fremtiden, superfluidbaseret, kvanteteknologier, såsom elektronik med meget lav energi.

Superfluiddannelse blev set at involvere en række forskellige tidsskalaer, forbundet med forskellige dynamiske processer, der finder sted ved krydsning af fasegrænsen.

Forstå dynamiske overgange, mod fremtidige teknologier

Som en ubalance, dynamisk proces, faseovergange er udfordrende at forstå ud fra et teoretisk perspektiv, inde i disse fascinerende og potentielt nyttige materiestater.

Sådanne ikke-ligevægtsfænomener i kvantesystemer med mange legemer involverer et komplekst samspil af korrelationer, der spænder over vidt forskellige rumlig-tidsmæssige skalaer. Adgang til den fulde dynamik i de fleste materialer kan være forbudt af de ultrakorte tidsintervaller.

Fremtidige teknologier baseret på kvantetilstande såsom superfluider eller superledere skal 'kobles' (tændes/slukkes), så forstå, hvordan systemer udvikler sig efter skift, svarer på vigtige grundlæggende spørgsmål, f.eks. hvor hurtigt sådanne enheder kan fungere.

Dannelse af et superfluid involverer den korrelerede bevægelse af de mange mikroskopiske bestanddele inden for en stor samling af kvantemekaniske partikler.

"Fortynd imidlertid gasser af ultrakølede atomer, tillade målinger af realtidsdynamik på tilgængelige tidsskalaer, "forklarer hovedforfatter Dr. Paul Dyke (Swinburne).

"Her bruger vi en ultrakold gas med stærkt interagerende fermioniske atomer (dvs. en Fermi -gas), at studere, hvordan de korrelationer, der kræves for at danne en superfluidopbygning efter en pludselig afbrydelse af interaktionerne. Dette tager systemet ud af ligevægt. "

"Ved at måle den efterfølgende dynamik, når systemet vender tilbage til ligevægt, kan vi løse de forskellige involverede tidsskalaer, for at opbygge de forskellige sammenhænge. Disse tidsskalaer afhænger af de tilsvarende længdeskalaer, med korte afstandskorrelationer og pardannelse, der hurtigt udvikler sig, mens den samlede momentumfordeling kan tage flere størrelsesordener længere for at nå ligevægt. "

Det nye eksperiment viste, at:

• Dannelse og kondensering af fermionpar kan finde sted på meget forskellige tidsskalaer, afhængigt af quenchens hastighed.
• Kontaktparameteren ses at reagere meget hurtigt på ændringer i interaktionsstyrken, angiver, at korrelationer med kort rækkevidde, udvikle sig langt hurtigere end de langdistancekorrelationer, der er nødvendige for at danne et Bose-Einstein-kondensat af atompar.

Kontaktparameteren kvantificerer sandsynligheden for at finde to atomer meget tæt på hinanden, og forstærkes kraftigt, når atomer danner par.

"Dynamics of a Fermi Gas Quenched to Unitarity" blev udgivet i Fysisk gennemgangsbreve i september 2021.