Ny termometrimetode afslører, at komprimering af en gas kan føre til afkøling

Et internationalt forskerhold fra Innsbruck og Genève har udviklet en ny termometrimetode til at måle temperaturer for lavdimensionelle kvantegasser. Med denne metode blev det fundet, at komprimering af en gas kan føre til afkøling. Resultaterne af dette kontraintuitive fænomen er netop blevet offentliggjort i Science Advances .

Daglig erfaring fortæller os, at kompression varmer, og ekspansion køler. Det ved enhver, der har pumpet et cykeldæk op. Gå ind i kvantefysikken. I kvanteverdenen gælder særlige regler. Partikler kendt som bosoner kan i fællesskab kondensere og blive superflydende. Fermioner udviser Pauli udelukkelsesprincippet og vil undgå hinanden.

I reducerede dimensioner bliver situationen mere vanskelig. Kvantesvingningers rolle forstærkes, og bosoner kan fermionisere, når inter-partikel-interaktioner er meget stærke.

I lyset af dette er kvantesystemer i reduceret dimensionalitet blevet et rigt forskningsfelt. De bruges som en platform til kvantesimulering. Især endimensionelle (1D) kvanteledninger har tiltrukket sig bred opmærksomhed i lyset af den igangværende miniaturisering af elektroniske kredsløb.

Den eksperimentelle platform af kolde atomer begrænset til snævre lyspotentialer bruges til at realisere sådanne kvantetråde og til at kvantesimulere elektronernes egenskaber under stærk indeslutning.

I et fælles eksperimentelt og teoretisk arbejde, udført i Innsbruck ved Institut for Eksperimentel Fysik og i Institut for Kvantestoffysik ved Universitetet i Genève, blev det fundet, at et stærkt interagerende kvante-mangelegemesystem kan opleve afkøling, når dimensionaliteten er reduceret. Et "kvantedæk" kan således afkøle, når det pumpes op.

Denne effekt er i modstrid med forventningerne, og den er faktisk ikke blevet foreslået eller forudset i litteraturen. Observationen blev mulig med udviklingen af ​​en termometrimetode, der kombinerer eksperiment og teori, og som fungerer særligt godt i tilfælde af stærke interaktioner.

"Vi er i stand til at måle temperaturer i 1D med en nano-Kelvin-følsomhed," siger Yanliang Guo, en af ​​de to hovedforfattere af denne undersøgelse. "Vi oplever, at temperaturen først stiger fra 12,5 nK til 17 nK, når vi komprimerer fra 3D til 2D, og ​​derefter falder til 9 nK, når vi komprimerer yderligere til 1D."

Afkølingen sker på grund af samspillet mellem den stærke laterale indeslutning i 1D og de stærke interaktioner i det regime, hvor bosonerne fermioniserer. I eksperimentet har teamet tjekket, at stærke interaktioner i 1D er et nødvendigt krav for, at afkølingen kan ske.

"En ændring fra 12,5 til 9 nK ser ikke ud til at være meget," siger en af ​​holdlederne Hanns-Christoph Nägerl. "Men siden de første resultater offentliggjort nu i dette fælles arbejde, har vi forbedret os væsentligt og har set temperaturer ned til 2 nK med 1-nK følsomhed."

Holdet forventer, at disse resultater vil skabe stor interesse i det videnskabelige samfund. Lavdimensionelle, stærkt korrelerede kvante-mange-kropssystemer har en lang række ægte kvanteeffekter, og deres undersøgelse kan kaste lys over mange gåder i fysik, hvor højtemperatur-superledning er den mest fremtrædende, med vidtrækkende konsekvenser hvis det blev løst.

Især lav-D systemer af ultrakolde atomer er nu meget brugt som en platform til kvantesimulering, og en række meget interessante resultater er for nylig blevet opnået for systemer i 1D (f.eks. om fortermalisering, dynamisk fermionisering, unormal varmestrøm, spin -ladningsadskillelse).

"Temperaturen spiller en afgørende rolle for alle kvantesystemer, og derfor er det af største vigtighed at kunne måle temperaturen," siger Hepeng Yao, den ledende teoretiker i denne undersøgelse. "Men indtil nu er dette ikke blevet gjort for isolerede, stærkt korrelerede 1D- og 2D-kvante-mange-kropssystemer."

Thierry Giamarchi, teamlederen fra Genève, udtaler:"Begrebsmæssigt finder vi det meget interessant, at temperaturerne kan falde, når graden af ​​indespærring øges. Dette er i modstrid med almindelig intuition og viser de subtile effekter, der kan opstå i kvanteverden."

Flere oplysninger: Yanliang Guo et al., Anomal afkøling af bosoner ved dimensionsreduktion, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6870

Leveret af University of Innsbruck