Begreppet universell fysik är spännande, eftersom det gör det möjligt för forskare att relatera fysiska fenomen i en mängd olika system, oberoende av deras olika egenskaper och komplexitet. Ultrakalla atomsystem uppfattas ofta som idealiska plattformar för att utforska universell fysik, på grund av den exakta kontrollen av experimentella parametrar (såsom interaktionsstyrkan, temperatur, densitet, kvanttillstånd, dimensionalitet, och fångstpotentialen) som kan vara svårare att ställa in i mer konventionella system. Faktiskt, ultrakalla atomsystem har använts för att bättre förstå en myriad av komplexa fysiska beteenden, inklusive dessa ämnen inom kosmologi, partikel, kärn, molekylär fysik, och framför allt, i den kondenserade materiens fysik, där komplexiteten hos kvantfenomen med många kroppar är svårare att undersöka med mer traditionella metoder.

Att förstå universell fysiks tillämpbarhet och robusthet är därför av stort intresse. Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder har genomfört en studie, nyligen medverkat i Fysiska granskningsbrev , syftar till att testa gränserna för universalitet i ett ultrakallt system.

"Till skillnad från andra fysiska system, skönheten med ultrakalla system är att vi ibland kan skrota vikten av det periodiska systemet och demonstrera liknande fenomen med valfri vald atomart (vare sig det är kalium, rubidium, litium, strontium, etc.), "Romerska Chapurin, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Universellt beteende är oberoende av de mikroskopiska detaljerna. Att förstå universella fenomens begränsningar är av stort intresse."

På grund av den fåkroppsliga karaktären hos interaktioner i de flesta ultrakalla system, forskare måste få en bättre kunskap om fåpartikelfysik för att bättre förstå de komplexa fenomenen med många kroppars ultrakalla. Teamet vid NIST och CU Boulder satsade på att utforska gränserna för universalitet i ett universellt fenomen med få kroppar som kallas Efimov-fysik.

Ursprungligen teoretiserade i samband med kärnfysik, detta exotiska kvantfenomen förutspår att starka tvåkroppsinteraktioner kan förmedla trekroppsattraktion och bilda svagt bundna trekroppstillstånd som kallas Efimov-trimerer. Faktiskt, det finns ett oändligt antal Efimov-trimerer, vars storlekar och energier alla relaterar till varandra genom en universell numerisk faktor.

Förutom denna universella skalning, forskare noterade senare att i atomsystem, alla Efimov-trimerstorlekar är desamma (i omskalade enheter), oavsett vald atomart eller de exakta detaljerna i de underliggande tvåkroppsinteraktionerna som förmedlar trekroppskrafterna i Efimov-fysiken. Den senare universella aspekten av Efimov-fysiken är känd som "van der Waals universalitet, " och ansågs sant fram till den senaste studien.

"Vikten av universalitet i Efimov-fysiken är att vi kan förstå och förutsäga hela fåkroppsinteraktionsbilden upp till godtyckliga långa skalor, ges endast bred kunskap om tvåkroppsfysiken, " sade Chapurin. "Vår mätning visar att detta inte alltid är fallet, demonstrerar den första avvikelsen från van der Waals universalitet och testar gränserna för universell fysik i ett fåkroppssystem."

Chapurin och kollegor utförde exakta fåkroppsmätningar för att bestämma egenskaperna hos Efimov-trimerer i en ultrakall kaliumgas. Den höga graden av kontroll över experimentella parametrar, tillsammans med låga statistiska och systematiska fel, tillät dem att hitta de första övertygande bevisen på icke-universella Efimov-trimerer. Forskarna upptäckte Efimov-trimerer med storlekar som är betydligt större än vad den universella teorin förutspår.

"Våra mått, med oöverträffad precision, avslöjade ett överraskande resultat:den första definitiva avvikelsen från van der Waals universalitet, " sade Chapurin. "Vi mätte Efimov-trimerstorlekarna så att de skilde sig från vad universell teori förutspår och skiljer sig från alla tidigare mätningar i olika atomarter."

För att bättre förstå deras observationer, forskarna utvecklade en ny trekroppsteoretisk modell. Deras modell antyder att i sällsynta fall, de mikroskopiska/fina detaljerna i problemet (i det här fallet, de komplexa spin-interaktionerna) kan drastiskt påverka makroskopiska observerbara egenskaper såsom storleken på Efimov-trimererna.

"Vi fann att en förfinad trekroppsmodell baserad på våra exakta mätningar av tvåkroppsinteraktioner, utan tvekan den mest exakta mätningen av tvåkroppsfysik i ett ultrakallt system, kan redogöra för det observerade icke-universala resultatet, Chapurin förklarade. "I denna sällsynta händelse, de fina och komplexa mikroskopiska detaljerna i interaktioner knäcker Efimov-fysikens universella natur."

Även om experimentella observationer tydligt pekar på en stark avvikelse från van der Waals universalitet, "inte allt som är universellt är förlorat, " enligt Jose D'Incao, också forskare i studien. Han tillade att:"en av universalitetens premisser kvarstår fortfarande:genom att bara veta hur två atomer interagerar, alla lågenergiegenskaper hos Efimovs triatomära system kan härledas, utan att behöva hänvisa till de mer traditionella och komplicerade kemiska krafterna med tre kroppar."

Studien som utfördes av Chapurin och kollegor samlade nya fascinerande observationer som kan förbättra den nuvarande förståelsen av universalitet i fåkroppsfysik. Även om forskarna kunde ge en preliminär förklaring, många frågor förblir obesvarade.

Till exempel, medan deras papper ger insikt om den observerade avvikelsen från universaliteten i den första Efimov-staten, effekten av en sådan komplex mikroskopisk fysik på de på varandra följande Efimov-tillstånden (i den oändliga Efimov-serien) är fortfarande en öppen fråga. Studier av dessa svagt bundna på varandra följande tillstånd kräver allt kallare temperaturer (mindre än en miljarddels grad över den absoluta nollan) som bäst uppnås i en mikrogravitationsmiljö. Laget, som är en del av det större JILA-samarbetet, hoppas kunna lösa denna fråga genom att utföra framtida experiment i Cold Atom Laboratory på den internationella rymdstationen.

© 2020 Science X Network