Ett internationellt forskarlag från Innsbruck och Genève har utvecklat en ny termometrimetod för att mäta temperaturer för lågdimensionella kvantgaser. Med denna metod fann man att komprimering av en gas kan leda till kylning. Resultaten av detta kontraintuitiva fenomen har just publicerats i Science Advances .

Vardagserfarenheter säger oss att kompression värmer och expansion kyler. Det vet alla som har pumpat upp ett cykeldäck. Gå in i kvantfysiken. I kvantvärlden gäller särskilda regler. Partiklar som kallas bosoner kan tillsammans kondensera och bli superflytande. Fermioner uppvisar Paulis uteslutningsprincip och kommer att undvika varandra.

I reducerade dimensioner blir situationen mer knepig. Rollen av kvantfluktuationer förstärks, och bosoner kan fermionisera när inter-partikelinteraktioner är mycket starka.

Mot bakgrund av detta har kvantsystem i reducerad dimensionalitet blivit ett rikt forskningsfält. De används som en plattform för kvantsimulering. Speciellt endimensionella (1D) kvanttrådar har väckt stor uppmärksamhet med tanke på den pågående miniatyriseringen av elektroniska kretsar.

Den experimentella plattformen med kalla atomer begränsade till snäva ljuspotentialer används för att realisera sådana kvanttrådar och för att kvantsimulera egenskaperna hos elektroner under stark inneslutning.

I ett gemensamt experimentellt och teoretiskt arbete, utfört i Innsbruck vid institutionen för experimentell fysik och vid institutionen för kvantmateriens fysik vid universitetet i Genève, fann man att ett starkt interagerande kvantmångkroppssystem kan uppleva kylning när dimensionaliteten är nedsatt. Ett "kvantdäck" kan alltså svalna när det pumpas upp.

Denna effekt strider mot förväntningarna, och den har faktiskt inte föreslagits eller förutsetts i litteraturen. Observationen blev möjlig med utvecklingen av en termometrimetod som kombinerar experiment och teori och som fungerar särskilt bra för fallet med starka interaktioner.

"Vi kan mäta temperaturer i 1D med en nano-Kelvin-känslighet", säger Yanliang Guo, en av de två huvudförfattarna till denna studie. "Vi upptäcker att temperaturen först går upp från 12,5 nK till 17 nK när vi komprimerar från 3D till 2D, och sedan sjunker till 9 nK när vi komprimerar ytterligare till 1D."

Nedkylningen sker på grund av samspelet mellan den starka laterala inneslutningen i 1D och de starka interaktionerna i regimen där bosonerna fermioniseras. I experimentet har teamet kontrollerat att starka interaktioner i 1D är ett nödvändigt krav för att kylningen ska ske.

"En förändring från 12,5 till 9 nK verkar inte vara mycket", säger en av lagledarna Hanns-Christoph Nägerl. "Men sedan de första resultaten publicerade nu i detta gemensamma arbete har vi förbättrats avsevärt och har sett temperaturer ner till 2 nK med 1-nK känslighet."

Teamet förväntar sig att dessa resultat kommer att generera ett stort intresse i vetenskapssamhället. Lågdimensionella, starkt korrelerade kvantmångkroppssystem har en stor variation av äkta kvanteffekter, och deras undersökning kan kasta ljus över många gåtor inom fysiken, den med högtemperatursupraledning är den mest framträdande, med långtgående konsekvenser om det skulle lösas.

I synnerhet används låg-D-system av ultrakalla atomer i stor utsträckning som en plattform för kvantsimulering, och en serie mycket intressanta resultat har nyligen erhållits för system i 1D (t.ex. om förvärmning, dynamisk fermionisering, onormalt värmeflöde, spinn -laddningsseparering).

"Temperaturen spelar en avgörande roll för alla kvantsystem, och därför är det av yttersta vikt att kunna mäta temperaturen", säger Hepeng Yao, ledande teoretiker i denna studie. "Men hittills har detta inte gjorts för isolerade, starkt korrelerade 1D- och 2D-kvantmångkroppssystem."

Thierry Giamarchi, teamledaren från Genève, säger:"Begreppsmässigt tycker vi att det är mycket intressant att temperaturerna kan sjunka när graden av instängdhet ökar. Detta strider mot vanlig intuition och visar de subtila effekter som kan uppstå i kvantvärld."

Mer information: Yanliang Guo et al, Anomalous cooling of bosons by dimensional reduction, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6870

Tillhandahålls av University of Innsbruck