Fysikere sporer, hvordan kontinuerlige ændringer i dimensionalitet påvirker en supervæskes kollektive egenskaber

Et internationalt forskerhold fra Innsbruck og Genève har for første gang undersøgt den dimensionelle crossover for ultrakoldt kvantestof. I regimet mellem en og to dimensioner opfatter kvantepartiklerne deres verden som værende 1D eller 2D afhængigt af længdeskalaen, som de er undersøgt på:For korte afstande er deres verden 1D, men den er 2D for lange afstande.

Resultaterne opnået fra korrelationsmålinger er netop blevet offentliggjort i Nature Physics .

Indbyggere i de indre byer på Manhattan eller Miami har vidst det hele tiden:På korte afstande, op til længden af ​​en blok, ser verden inde i byens "urban canyons" ud til at være endimensionel. Kun én retning foretrækkes. Men med tværgaderne til stede over længere afstande, er verden todimensionel:Det er muligt, at man udforsker den tværgående retning, når man rejser langt nok.

Kvantepartikler, der ved ultralave temperaturer er begrænset til "optiske kløfter" med mulighed for at kvantetunneler til nabokløfter, "ved" også, hvad deres dimensionalitet er:De er 1D for korte afstande, men 2D for lange afstande. En sådan adfærd er for nylig blevet afsløret i et fælles eksperimentelt-teori-arbejde af forskere fra Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck og i Institut for Kvantestoffysik ved Universitetet i Genève.

Kvantesystemer i reduceret dimensionalitet og ved ultralave temperaturer i regimet med superfluiditet og kvantedegeneration er blevet et rigt forskningsfelt. Todimensionelle superfluider kan indeholde topologiske excitationer, og interagerende endimensionelle systemer har et væld af usædvanlige egenskaber, hvoraf fermionisering af bosoner er en af ​​de mest slående.

Lidt er kendt om regimet for den dimensionelle crossover:Hvordan forbinder stærkt interagerende 2D bosoniske supervæsker til fermioniserede bosoner i 1D? Ved at bruge kolde atomer som forskningsplatform kan den dimensionelle crossover nu studeres direkte i eksperimentet.

I en første test undersøgte fysikerne korrelationsegenskaberne af interagerende bosoner begrænset til variable lyskrystaller. I blandet dimensionalitet fandt de et karakteristisk henfald med to hældninger for en-legeme-korrelationsfunktionen, hvilket afspejler det faktum, at partiklerne er 1D og 2D på samme tid.

"Vores system er 1D og 2D samtidigt," siger en af ​​hovedforfatterne til dette værk, Yanliang Guo, som er postdoc i Innsbruck. "Det afhænger af, hvordan vi afhører systemet."

Hepeng Yao, en postdoc i Genève, som har udført den numeriske simulering og analyse ved hjælp af state-of-the-art kvante Monte Carlo metoder, er enig. "Vi kan nu direkte spore, hvordan den kontinuerlige ændring af et systems dimensionalitet påvirker de kollektive egenskaber af en superfluid."

"Vores eksperimenter havde en overraskelse til os," siger Yanliang Guo. "I lyset af vores højkvalitets numeriske modellering kan vi nu bruge korrelationsmålingerne til at bestemme temperaturen på vores kvantevæsker i 1D, 2D og derimellem med meget høj præcision. Dette kan åbne vejen for nye opdagelser, f.eks. eksempel til udforskningen af ​​den undvigende Bose-glasfase."

Hepeng Yao er enig:"Korrelationsmålingerne, når de udføres for bosoner ved meget lave temperaturer i nærværelse af et tilfældigt potentiale, bør vise signaturer fra Bose-glasset."

Resultaterne vil tjene som udgangspunkt for yderligere forskning i lavdimensionelt kvantestof og dets dimensionelle krydsning.

Flere oplysninger: Yanliang Guo et al., Observation af 2D-1D crossover i stærkt interagerende ultrakolde bosoner, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02459-3

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Innsbruck