En ny, Monash-ledd teoretisk studie främjar vår förståelse av dess roll i termodynamiken i problemet med kvantföroreningar.

Kvantorenhetsteori studerar beteendet hos avsiktligt införda atomer (dvs. "föroreningar") som beter sig som särskilt "rena" kvasipartiklar i en bakgrundsatomgas, möjliggör en kontrollerbar "perfekt testbädd"-studie av kvantkorrelationer.

Studien utökar kvantorenhetsteorin, som är av betydande intresse för kvantmateriaforskningssamhället, in i en ny dimension – den termiska effekten.

"Vi har upptäckt ett allmänt samband mellan två distinkta experimentella protokoll, nämligen ejektions- och injektionsradiofrekvensspektroskopi, där ingen sådan relation var känd innan vårt arbete." förklarar huvudförfattaren Dr Weizhe Liu (Monash University School of Physics and Astronomy).

Quantum Purity Theory

Kvantorenhetsteori studerar effekterna av att introducera atomer av ett element (dvs. "föroreningar") till en ultrakall atomgas av ett annat grundämne.

Till exempel, ett litet antal kaliumatomer kan införas i en "bakgrunds" kvantgas av litiumatomer.

De införda föroreningarna (i detta fall, kaliumatomerna) beter sig som en särskilt "ren" kvasipartikel i atomgasen.

Interaktioner mellan de införda föroreningsatomerna och bakgrundsatomgasen kan "avstämmas" via ett externt magnetfält, möjliggör undersökning av kvantkorrelationer.

Under de senaste åren har det skett en explosion av studier på ämnet kvantföroreningar nedsänkta i olika bakgrundsmedier, tack vare deras kontrollerbara realisering i ultrakalla atomgaser.

Modellering av "Push" och "Pull" med radiofrekvenspulser

"Vår studie är baserad på radiofrekvensspektroskopi, modellering av två olika scenarier:ejektion och injektion, " säger Dr Weizhe Liu, som är forskare med FLEET, FLEET arbetar i gruppen av A/Prof Meera Parish och Dr Jesper Levinsen.

Teamet modellerade effekten av radiofrekvenspulser som skulle tvinga föroreningsatomer från ett spinntillstånd till ett annat, obesatt spinntillstånd.

• Under scenariot "utkastning", radiofrekvenspulser verkar på föroreningar i ett spinntillstånd som starkt interagerar med bakgrundsmediet, "skjuta" dessa föroreningar till ett icke-interagerande spinntillstånd.
• Det omvända "injektion"-scenariot "drar" föroreningar från ett icke-samverkande tillstånd till ett interagerande tillstånd.

Dessa två spektroskopier används vanligtvis separat, att studera särskiljande aspekter av kvantföroreningsproblemet.

Istället, den nya Monash-studien visar att ejektions- och injektionsprotokollen undersöker samma information.

"Vi fann att de två scenarierna - ejektion och injektion - är relaterade till varandra genom en exponentiell funktion av den fria energiskillnaden mellan de interagerande och icke-interagerande orenhetstillstånden, " säger Dr Liu.