En FLEET -studie av ultrakylda atomgaser - en miljarddels temperatur i yttre rymden - har låst upp nya, grundläggande kvanteffekter. Forskarna vid Swinburne University of Technology studerade kollektiva svängningar i ultrakalla atom gaser identifiera var kvanteffekter inträffar för att bryta symmetrier som förutses av klassisk fysik. De observerade också övergången mellan tvådimensionellt (2-D) beteende och tredimensionellt (3-D) beteende.

"Grundläggande upptäckter gjorda av sådana observationer kommer att informera FLEET:s sökning efter elektronisk ledning utan slösad energispridning, "förklarade studieförfattaren professor Chris Vale.

Tvådimensionella material uppvisar många nya fysikaliska egenskaper och studeras noggrant för deras potentiella användningsområden-till exempel inom ultralåg energi. Dock, starka korrelationer och brister i 2-D-material gör det svårt att förstå teoretiskt. Kvant gaser av ultra kalla neutrala atomer kommer att hjälpa låsa den grundläggande fysik av 2-D-material, liksom att avslöja nya fenomen som inte är lättillgängliga i andra system.

Experiment utförda på kvantgaser av ultrakalla neutrala atomer förbättrar förståelsen av fasövergångar och effekterna av interaktioner mellan partiklar. Denna förbättrade förmåga, förståelse och kontroll av fasövergångar kommer att ha en direkt tillämpning i FLEETs utveckling av framtida lågenergi, topologiskt baserad elektronik.

Symmetrier är en viktig ingrediens i formuleringen av många fysiksteorier, tillåta förenklade beskrivningar genom att identifiera vilka faktorer som inte ändrar ett systems underliggande fysiska egenskaper. Till exempel, i ett skalinvariant system, ändra avstånden mellan partiklarna ändrar inte beteendet hos ett material utan endast skalar det med en lämplig faktor. Gaser av ultrakylda atomer begränsade till ett tvådimensionellt plan tillät forskarna att utforska regimer där den skalningssymmetrin kan brytas av kvanteffekter.

Forskarna studerade en starkt interagerande 2-D Fermi gas av litium-6 atomer, mäta frekvensen för en radiell svängning som kallas andningsläget, vars frekvens bestäms av gaskomprimerbarheten, och är ett fönster till den termodynamiska tillståndsekvationen. Studien bekräftade att skalningssymmetri bryts i närvaro av starka interaktioner mellan partiklar, påverkar det termodynamiska förhållandet mellan tryck och densitet. Detta kallas en kvantanomali, som uppstår när en symmetri som finns i en klassisk teori bryts i motsvarande kvantteori.

Mätningar av andningsfrekvens tillät också forskare att kartlägga utvecklingen av termodynamisk statlig ekvation mellan 2-D och 3-D gränserna, visar att strikt 2-D-beteende endast finns i en mycket begränsad region av parameterutrymme. Studien, "Quantum Anomaly och 2-D-3-D Crossover i stark växelverkan Fermi Gaser, "publicerades idag i Fysiska granskningsbrev .

Inom FLEET, Chris Vale studerar topologiska fenomen i 2-D-gaser av ultrakylda fermionatomer, undersöker implementering av kall atom av Floquet topologisk överflödighet, obalansförbättringar av den supraledande kritiska temperaturen och nya former av topologiskt material baserat på optiskt inducerad spin-orbit-koppling i 2-D atomgaser, i forskningstema 3. FLEET:s forskningstema 3 studerar system som tillfälligt drivs ur termisk jämvikt för att undersöka den kvalitativt olika fysik som visas och nya möjligheter för dynamisk kontroll av deras beteende.

Vale leder studiet av kvantgaser vid Swinburne University of Technology. I dessa samlingar av atomer kyls till endast 100 nanoKelvin över absolut noll, beteenden som vanligtvis bara finns på mikroskopisk nivå blir framträdande på makroskopisk nivå. Teamets studie av Fermi-gaser begränsade till 2-D testar nya paradigm för spridningslös transport i topologisk och icke-jämviktskvantmaterial syntetiserat från ultrakylda atomer.