En Swinburne University of Technology -studie som publicerades i veckan undersöker förökning av energi som ljudvågor i en kvantgas, för första gången avslöjar starka variationer i ljudvågens beskaffenhet som en funktion av temperaturen.

Vid låg energi, denna energi färdas via den kollektiva rörelsen för många partiklar som rör sig i synkronisering - i huvudsak som ljudvågor - kvantifierade med hjälp av kvasipartiklar som kallas fononer.

Under överfluidövergångstemperaturen T _c dessa ljudvågor i en enhetlig Fermi-gas kan föröka sig utan kollisioner och drivs av krusningar i fasen av parametern superfluid order (vågfunktion)-detta läge kallas Bogoliubov-Anderson (BA) fonon.

Ovanför T _c , ljudvågorna blir starkare dämpade, och kollisioner spelar en dominerande roll.

• lägre än T _c I det kallare, överflödigt läge, dämpning domineras av kollisioner med termiskt exciterade kvasipartiklar och beskrivs väl av (QRPA) teori
• > T _c Över övergångstemperaturen, det starkt dämpade läget inträffar vid övergången mellan kollisionsfria hydrodynamiska regimer.
• >> T _c Vid ännu högre temperaturer, kollektiv spridning av ljudvåg försvinner, och excitation domineras av energin i enskilda partiklar.

Starka likheter identifierades i temperaturberoende av ljud i enhetlig Fermigas och fonons beteende i flytande helium, som var en av de första superfluiderna som identifierats historiskt.

Denna studie ger kvantitativa riktmärken för dynamiska teorier om starkt korrelerade fermioner.

De ultrakylda atomgaserna som bildats och studerats i professor Chris Vales laboratorium i Swinburne möjliggör mycket exakt inställning av interaktioner mellan atomer.

"Vi svalkade och begränsade en mycket utspädd gas av Li ⁶ atomer, förverkligande av en enhetlig Fermigas, som uppvisar de starkaste interaktioner som tillåts av kvantmekanik med en kontaktpotential, "förklarar prof Vale.

I en enhetlig gas, elastiska kollisioner blir resonanta och gasens termodynamiska egenskaper blir universella funktioner för temperatur och densitet. Unitära Fermi -gaser möjliggör exakt testning av teorier om samverkande fermioner.

Teamet studerade sedan excitationer i gasen över och under överfluidfasövergången T _c med hjälp av två-foton Bragg-spektroskopi.

"Vi mätte excitationsspektra vid ett momentum på ungefär hälften av Fermi -momentum, både över och under den överflödiga kritiska temperaturen T _c , "förklarar studieförfattaren Dr Carlos Kuhn.

Två, fokuserade laserpulser (cirka 1,2 millisekunder i längd) som skär varandra i gasen skapar en periodisk störning för litiumatomerna.

Omedelbart efter dubbel laserpuls, den begränsande optiska fällan stängs av och atomens momentum mäts efter 4 millisekunder expansion, och kan kartläggas som en funktion av laserfrekvens.

Den ändliga varaktigheten och storleken på Bragg-strålarna leder till en Fourier-begränsad spektralupplösning på cirka 1:25 kHz FWHM som ligger långt under de typiska Fermi-energierna, EF 11 kHz, används i experimenten.

"Högfrekvent ljud i en enhetlig Fermigas" publicerades i Fysiska granskningsbrev (PRL) i mars 2020.

Ultraljudstudier på FLEET

Studiet av kvantsystem med många kroppar med starka inter-partikelinteraktioner är av stort intresse för förståelsen av nya material.

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.

Chris leder studiet av kvantgaser vid Swinburne University of Technology. I dessa samlingar av atomer kyls till endast 100 nano-Kelvin över Absolute Zero, 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.

Chris är en av nästan 100 forskare på FLEET, alla motiverade av en stor utmaning:att minska energin som används i informations- och kommunikationsteknik (IKT), som redan står för minst 8% av den globala elanvändningen, och fördubblas varje decennium.