Ett internationellt forskarlag från Innsbruck och Genève har för första gången undersökt den dimensionella korsningen för ultrakall kvantmateria. I regimen mellan en och två dimensioner uppfattar kvantpartiklarna sin värld som 1D eller 2D beroende på längdskalan som de undersöks på:För korta avstånd är deras värld 1D, men den är 2D för långa avstånd.
Resultaten från korrelationsmätningar har just publicerats i Nature Physics .
Invånarna i Manhattans eller Miamis innerstäder har vetat det hela tiden:På korta avstånd, upp till ett kvarters längd, framstår världen inuti stadens "urban canyons" som endimensionell. Endast en riktning är att föredra. Men med tvärgatorna närvarande för längre sträckor är världen tvådimensionell:Det är möjligt att man utforskar tvärriktningen när man reser tillräckligt långt.
Kvantpartiklar, begränsade vid ultralåga temperaturer till "optiska kanjoner" med möjlighet att kvanttunnel till angränsande kanjoner, "vet" också vad deras dimensionalitet är:De är 1D för korta avstånd, men 2D för långa avstånd. Sådant beteende har nyligen avslöjats i ett gemensamt experiment-teori-arbete av forskare från institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck och vid institutionen för kvantmateriens fysik vid universitetet i Genève.
Kvantsystem i reducerad dimensionalitet och vid ultralåga temperaturer i regimen av superfluiditet och kvantdegeneration har blivit ett rikt forskningsfält. Tvådimensionella superfluider kan innehålla topologiska excitationer, och interagerande endimensionella system har en mängd ovanliga egenskaper, varav fermionisering av bosoner är en av de mest slående.
Lite är känt om regimen för den dimensionella korsningen:Hur ansluter starkt interagerande 2D-bosoniska superfluider till fermioniserade bosoner i 1D? Med hjälp av kalla atomer som forskningsplattform kan den dimensionella korsningen nu studeras direkt i experimentet.
I ett första test undersökte fysikerna korrelationsegenskaperna hos interagerande bosoner begränsade till variabla ljuskristaller. I blandad dimensionalitet hittade de ett karakteristiskt två-lutningsförfall för enkroppskorrelationsfunktionen, vilket speglar det faktum att partiklarna är 1D och 2D samtidigt.
"Vårt system är 1D och 2D samtidigt", säger en av huvudförfattarna till detta arbete, Yanliang Guo, som är postdoc i Innsbruck. "Det beror på hur vi förhör systemet."
Hepeng Yao, en postdoc i Genève som har utfört den numeriska simuleringen och analysen med toppmoderna Monte Carlo-kvantmetoder, håller med. "Vi kan nu direkt spåra hur den kontinuerliga förändringen av ett systems dimensionalitet påverkar de kollektiva egenskaperna hos en supervätska."
"Våra experiment hade en överraskning för oss", säger Yanliang Guo. "Med tanke på vår högkvalitativa numeriska modellering kan vi nu använda korrelationsmätningarna för att bestämma temperaturen på våra kvantvätskor i 1D, 2D och däremellan, med mycket hög precision. Detta kan öppna vägen för nya upptäckter, t.ex. exempel för utforskningen av den svårfångade Bose-glasfasen."
Hepeng Yao håller med, "Korrelationsmätningarna, när de görs för bosoner vid mycket låga temperaturer i närvaro av en slumpmässig potential, bör visa signaturer av Bose-glaset."
Resultaten kommer att fungera som en startpunkt för vidare forskning om lågdimensionell kvantmateria och dess dimensionella korsning.
Mer information: Yanliang Guo et al, Observation of 2D–1D crossover i starkt interagerande ultrakalla bosoner, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02459-3
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Innsbruck
