När ett nytt fysiskt system skapas eller avslöjas, forskare i allmänhet studerar det på djupet för att avslöja dess utmärkande egenskaper och egenskaper. Till exempel, de kan försöka avgöra hur systemet reagerar när det störs, och på vilka sätt denna störning vanligtvis sprider sig genom den.

För att förklara detta i enklare termer, en forskare kan undersöka hur olika vätskor (t.ex. vatten, olja, eller honung) svara när en sten kastas in i dem. I dessa fall, att kasta en sten skulle vanligtvis leda till att det bildas vågor, som sedan skulle dämpa i varierande takt/hastigheter, beroende på vätskans viskositet.

Ett liknande fall är det med densitetsexcitationer i gaser. Dessa är i huvudsak densitetsökningar som fortplantar sig genom en gas i form av ljudvågor.

Forskare vid universitetet i Hamburg och Heidelbergs universitet i Tyskland har nyligen genomfört en studie som syftar till att avslöja termodynamiska och transportegenskaper hos en 2-D Fermi-gas genom att undersöka hur ljudvågor utbreder sig och dämpar den i den. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , visar att systemet de skapade och undersökte är ett nästan perfekt modellsystem för att undersöka fysiken för starka korrelationer i reducerade dimensioner.

"Vårt experiment är bland de få i världen där ultrakalla 2-D Fermi-gaser produceras och undersöks, "Markus Bohlen, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dessa system är fängslande:samspelet mellan starka interaktioner och minskad dimensionalitet leder till fascinerande fenomen, men komplicerar också teoretiska ansatser. Här, kvantgasexperiment ger värdefulla insikter och möjliggör studier av dessa system i en ren och kontrollerad miljö."

I deras experiment, Bohlen och hans kollegor satte sig för att mäta ljudhastigheten och ljuddämpningen i en ultrakall 2-D Fermi-gas, eftersom detta i sin tur skulle tillåta dem att undersöka dess excitationsegenskaper. Att göra detta, de fokuserade specifikt på utbredning och dämpning av ljudvågor i gasen.

"Ljudvågor är oscillationer i densitet, temperatur, tryck, såväl som andra termodynamiska variabler, " Bohlen förklarade. "Dessa variabler är inte oberoende, utan snarare relaterade till varandra via en så kallad tillståndsekvation. Tillståndsekvationen bestämmer systemets termodynamiska beteende, t.ex., hur mycket tätare eller varmare blir en gas när den komprimeras?"

I deras studie, Bohlen och hans kollegor extraherade 2D Fermi-gasens kompressibilitetsekvation från hastigheten på ljudvågor som fortplantade sig inuti den. Fysik teori antyder att ju snabbare vågor färdas inuti ett system, desto styvare måste systemet vara (dvs. ju lägre dess kompressibilitet måste vara).

"Ett system som exciteras ur jämvikt kommer så småningom att slappna av tillbaka till sitt jämviktstillstånd, " sa Bohlen. "I en starkt interagerande gas, relaxationshastigheten bestäms av gasens viskositet och värmeledningsförmågan. Dessa så kallade transportkoefficienter beskriver hur snabba skillnader i hastighet eller temperatur utjämnas genom mediet. Genom att mäta ljuddämpningshastigheten i vår gas, vi kan därför dra slutsatser om dessa transportkoefficienter."

De mätningar som forskarna samlade in ledde till ett antal intressanta observationer. Först, Bohlen och hans kollegor observerade att i 2-D Fermi-gasen, ljudvågor dämpades minst vid den regim där atomer interagerar starkare. Dessa fynd kan verka kontraintuitiva, eftersom man kan förvänta sig att kollisioner mellan partiklar skulle minska vågornas rörelse. Tvärtom, detta sker endast i de fall där det är relativt få kollisioner.

Om interaktionerna mellan partiklar är mycket starka, dock, som i forskarnas experiment, situationen förändras drastiskt. Detta beror på att frekventa kollisioner mellan partiklar faktiskt förhindrar spridningen av energi och därmed hämmar spridningen snarare än att öka den.

"I den regim vi fokuserade på, transportkoefficienterna tenderar mot en gräns som bestäms av kvantmekaniken, som har antagits i samband med kvantfältteorier och observerats för olika transportkoefficienter i olika system, ", sa Bohlen. "Vi kan bekräfta att denna gräns följs vid ljuddiffusion i 2-D Fermi-gaser."

Dessa fynd kastar lite ljus över hur ljudvågor fortplantar sig och avtar inuti en ultrakall 2-D Fermi-gas, på så sätt avslöjar några av dess termodynamiska och transportegenskaper. I framtiden, gasen som undersöktes i deras uppsats kunde användas för att testa giltigheten av fysikteorier och modeller relaterade till starkt interagerande Fermi-gaser. Under tiden, Bohlen och hans kollegor planerar att genomföra nya studier som undersöker superfluiditet i samma 2-D Fermi-gas som undersöktes i deras senaste artikel.

"Superfluiditet (och supraledning) är nära besläktad med förekomsten av så kallad långdistansordning, " förklarade Bohlen. "I 2D-geometrier, sådan långdistansbeställning är förbjuden, ändå verkar det som för alla material som visar supraledning vid höga temperaturer, 2D-strukturer spelar en avgörande roll. Vi har nyligen visat att vårt 2D-system är, verkligen, en övervätska, och vi skulle vilja kasta ljus över dimensionalitetens roll för superfluiditetens robusthet."

© 2020 Science X Network