Vi kan lära oss mycket genom att studera mikroskopiska och makroskopiska förändringar i ett material när det passerar från en fas till en annan, till exempel från is till vatten till ånga.

Men även om dessa fasövergångar är väl förstådda när det gäller vatten, mycket mindre är känt om dynamiken när ett system går från att vara en normal vätska till en supervätska, som kan flöda med noll friktion, dvs utan att förlora någon energi.

En ny Swinburne -studie som observerar övergången av en atombas från normal vätska till supervätska ger ny inblick i bildandet av dessa anmärkningsvärda tillstånd, med tanke på framtiden, superfluidbaserad, kvantteknik, till exempel ultralåg energi.

Superfluidbildning sågs innebära ett antal olika tidsskalor, associerad med olika dynamiska processer som sker vid överskridande av fasgränsen.

Förstå dynamiska övergångar, mot framtida teknik

Som en obalans, dynamisk process, fasövergångar är utmanande att förstå ur ett teoretiskt perspektiv, inuti dessa fascinerande och potentiellt användbara tillstånd av materia.

Sådana icke-jämviktsfenomen i kvantsystem med många kroppar innebär ett komplext samspel av korrelationer som sträcker sig över mycket olika spatio-tidsmässiga skalor. Tillgång till hela dynamiken i de flesta material kan förbjudas av de ultrakorta tidsramarna.

Framtida teknik baserad på kvanttillstånd som superfluider eller supraledare måste 'kopplas' (på/av), så förstå hur system utvecklas efter byte svarar på viktiga grundläggande frågor, till exempel hur snabbt sådana enheter kan fungera.

Att bilda en supervätska involverar den korrelerade rörelsen för de många mikroskopiska beståndsdelarna inom en stor samling av kvantmekaniska partiklar.

"Späd gaser av ultrakylda atomer dock tillåta mätningar av realtidsdynamik på tillgängliga tidsskalor, "förklarar huvudförfattaren Dr Paul Dyke (Swinburne).

"Här använder vi en ultrakyld gas med starkt interagerande fermionatomer (dvs. en Fermigas), för att studera hur de korrelationer som krävs för att bilda en supervätska byggs upp efter en plötslig släckning av interaktionerna. Detta tar systemet ur jämvikt. "

"Genom att mäta den efterföljande dynamiken när systemet återgår till jämvikt kan vi lösa de olika tidsintervallen som berörs, för att de olika korrelationerna ska byggas upp. Dessa tidsskalor beror på motsvarande längdskalor, med korta avståndskorrelationer och parbildning som snabbt utvecklas, medan den totala momentumfördelningen kan ta flera storleksordningar längre för att nå jämvikt. "

Det nya experimentet visade att:

• Formion och kondens av fermionpar kan ske på mycket olika tidsskalor, beroende på hastigheten på släckningen.
• Kontaktparametern ses reagera mycket snabbt på förändringar i interaktionsstyrkan, vilket indikerar att kortdistansrelationer, utvecklas mycket snabbare än de långväga korrelationer som är nödvändiga för att bilda ett Bose-Einstein-kondensat av atompar.

Kontaktparametern kvantifierar sannolikheten för att hitta två atomer i mycket nära varandra, och förstärks starkt när atomer bildar par.

"Dynamics of a Fermi Gas Quenched to Unitarity" publicerades i Fysiska granskningsbrev i september 2021.