En FLEET/Swinburne-studie som släpptes i veckan löser en mångårig debatt om vad som händer på mikroskopisk nivå när materia övergår till ett supraledande eller överflödigt tillstånd.

Korrelationer mellan par atomer i en ultrakall gas visade sig växa plötsligt när systemet kyldes under överflödig övergångstemperatur, snarare än att visas gradvis vid högre temperaturer, som vissa teorier har förutsagt.

Experiment utfördes i Swinburne University of Technology's Ultra-cold Atomic Gas laboratorium, med hjälp av gaser av litiumatomer som kyls till temperaturer under 100 nano-Kelvin.

Upplåsningsmekanism för Fermi-gassystem

Den nya studien låser upp nyckelfunktioner i ett materiellt tillstånd som kallas en 'Fermigas', exempel på vilka elektroner rör sig fritt i en elektrisk ledare (t.ex. i en konventionell elektrisk ström), eller protoner och neutroner i en kärna. Andra Fermi-gassystem inkluderar mer-exotiska tillstånd, såsom elektroner i supraledare, eller "superfluid" av neutroner i en neutronstjärna.

"En av de öppna frågorna om starkt interagerande Fermi-gassystem har varit rollen som parning, "förklarar FLEET CI Prof Chris Vale." Vår studie visade att, vid överflödig övergångstemperatur, par-korrelationer ökar plötsligt, snarare än gradvis - som har förutsetts av vissa teorier. "

Denna observation kvantifierades genom mätningar av en universell parameter, känd som "kontaktparametern". Denna parameter kvantifierar sannolikheten för att hitta två atomer i mycket nära varandra, och förstärks starkt när atomer bildar par.

En relaterad studie, av gruppen Martin Zwierlein vid Massachusetts Institute of Technology och publicerade back-to-back med Swinburne-gruppens papper som hittades nära identiska resultat, med en helt annan metod. Experimenten Swinburne och MIT representerar ett viktigt genombrott i vår förståelse av parning i Fermis superfluidsystem med starka interaktioner mellan partiklar.

Experimentella resultat pekar på korrekt teori

Swinburne-teamet genererade en enhetlig Fermi-gas av litium-6-atomer och undersökte systemet genom att mäta momentum som tillföres atomerna med ett par korsade laserstrålar, som stör gasen på ett väldefinierat sätt. Från dessa uppgifter, teamet extraherade kontaktparametern, som visade en snabb ökning med cirka 15% när temperaturen sänktes under överflödesövergångspunkten.

Teoretiska försök att beräkna temperaturutvecklingen för kontaktparametern är notoriskt svåra och har gett mycket olika förutsägelser som är beroende av modellen för interaktion av fermioner. Experimenten Swinburne och MIT stöder Luttinger-Ward-teorin, som säger att parning tänds plötsligt vid övergångstemperaturen.

'Kontakt- och summaregler i en nästan enhetlig Fermigas vid enhetlighet' publicerades i Fysiska granskningsbrev Denna vecka.