"Sloshing" av en kvantvätska som består av ljus och materia avslöjar överflödiga egenskaper.

Ett australiensiskt ledt team av fysiker har framgångsrikt skapat slösande kvantvätskor i en "hink" bildad av inneslutningslasrar.

"Dessa kvantvätskor förväntas vara lika vågiga som haven, men att fånga tydliga bilder av vågorna är en experimentell utmaning, "säger huvudförfattaren Dr Eliezer Estrecho.

Leds av Australian National University (ANU), laget observerade allvarligt kvantvätskans vågiga rörelse i en optiskt kontrollerad hink, få ny insikt om de spännande superfluidegenskaperna hos denna egendomliga, hybrid ljusmaterialsystem.

Superfluiditet är flödet av partiklar utan att lida motstånd, och drivs av FLEET-forskare för framtida tillämpningar inom elektronik med extremt låg energi.

Att fylla hinken med kvantvätskan ledde till slosning

Teamet utförde experimenten i en lasertillverkad "hink" som fångar upp partiklar som kallas exciton-polaritoner, som är hybridljusmaterialpartiklar i en halvledare.

När dessa partiklar svalnar bildar de ett gigantiskt kvanteobjekt som kallas ett Bose-Einstein-kondensat (ibland kallat materiens femte tillstånd), där kvantfenomen kan ses i makroskopisk skala.

"Den överskottsenergi som förloras av kylpartiklarna försvinner inte lätt så att kondensatet kommer att visa något slags vågigt beteende, vilket är slumpmässigt för varje insikt av kondens, "säger motsvarande författare prof Elena Ostrovskaya.

Den slumpmässigheten gör det svårt att upptäcka de övergående svängningarna med bildkamerorna, eftersom det kommer att bli genomsnittligt i experimentet.

Dock, lyckligtvis, "skopan" lutar.

"I de flesta experiment, vi försöker undvika lutningen eftersom det komplicerar analysen, "säger Dr Estrecho.

"Men i det här fallet möjliggjorde den" irriterande "lutningen observationen av oscillationen eftersom det är fördelaktigt för kondensatet att halka längs lutningsriktningen.

Den svängande svängningen observerades i både kondensatets position och momentum, visar vackert kvantmekanikens lagar i makroskopisk skala som kan ses av ett vanligt mikroskop. Dock, svängningarna är extremt snabba, så att det bara var möjligt att observera dem med en kamera med en tidsupplösning i picosekundskala.

Studerar ljudets hastighet i supervätskor

Experimentets sanna skönhet ligger i analysen av oscillationsfrekvenserna eftersom det är direkt relaterat till ljudets hastighet och kan undersöka de överflödiga egenskaperna hos kvantvätskan. Detta är särskilt relevant eftersom denna märkliga kvantvätska kan existera vid rumstemperatur, och därför lovande för apparapplikationer.

Med hjälp av en smart analys, teamet har extraherat ljudets hastighet från experimentella data, och fann att det är mindre än förväntat från rådande teorier. Teamet hävdade att avvikelsen härrör från förekomsten av en osynlig reservoar av heta ämnesliknande partiklar som interagerar med hybridljuspartiklarna.

Vidare, experimentet ger också ledtrådar om de möjliga effekterna som kan bromsa supervätskan. Vid absolut noll temperatur, oscillationerna förväntas aldrig ta slut eftersom systemet är en superfluid. Dock, vid begränsad temperatur, så är inte fallet, så att studera svängningshastigheterna hos svängningarna är avgörande för att förstå supervätskan.

De första resultaten visar att varken reservoarpartiklarna, ändlig temperatur, eller den inneboende korta livslängden för exciton-polaritoner kan enbart förklara de observerade dämpningshastigheterna. Därav, ytterligare teoretiska studier som kombinerar dessa effekter och noggrant kontrollerade experiment behövs för att bättre förstå kvantvätskan utan jämvikt.

Lavenergiska kollektiva svängningar och Bogoliubov-ljud i ett exciton-polaritonkondensat publicerades som ett redaktörsförslag i Fysiska granskningsbrev i februari 2021.