Um estudo da Swinburne University of Technology publicado esta semana examina a propagação da energia como ondas sonoras em um gás quântico, revelando pela primeira vez fortes variações na natureza da onda sonora em função da temperatura.

Em baixas energias, esta energia viaja através do movimento coletivo de muitas partículas movendo-se em sincronia - essencialmente, como ondas sonoras - quantificadas usando quasipartículas conhecidas como fônons.

Abaixo da temperatura de transição do superfluido T _c essas ondas sonoras em um gás Fermi unitário podem se propagar sem colisões e são impulsionadas por ondulações na fase do parâmetro de ordem do superfluido (função de onda) - esse modo é conhecido como fônon Bogoliubov-Anderson (BA).

Acima de T _c , as ondas sonoras se tornam mais fortemente amortecidas, e as colisões desempenham um papel dominante.

• menor que T _c No frio, modo superfluido, amortecimento é dominado por colisões com quasipartículas termicamente excitadas e é bem descrito pela teoria (QRPA)
• > T _c Acima da temperatura de transição, o modo fortemente amortecido ocorre no cruzamento entre regimes hidrodinâmicos sem colisão.
• >> T _c Em temperaturas ainda mais altas, a propagação coletiva de ondas sonoras desaparece, e a excitação é dominada pela energia de partículas individuais.

Fortes semelhanças foram identificadas na dependência do som com a temperatura no gás Fermi unitário e no comportamento dos fônons no hélio líquido, que foi um dos primeiros superfluidos identificados historicamente.

Este estudo fornece referências quantitativas para teorias dinâmicas de férmions fortemente correlacionados.

Os gases atômicos ultracold formados e estudados no laboratório do Prof Chris Vale em Swinburne permitem um ajuste muito preciso das interações entre os átomos.

"Resfriamos e confinamos um gás de Li altamente diluído ⁶ átomos, realizando um gás Fermi unitário, que exibe as interações mais fortes permitidas pela mecânica quântica com um potencial de contato, "explica o Prof Vale.

Em um gás unitário, colisões elásticas tornam-se ressonantes e as propriedades termodinâmicas do gás tornam-se funções universais de temperatura e densidade. Os gases Fermi unitários permitem testes precisos de teorias de férmions em interação.

A equipe então estudou excitações no gás acima e abaixo da transição de fase do superfluido T _c usando espectroscopia de Bragg de dois fótons.

"Medimos os espectros de excitação em um momento de aproximadamente metade do momento de Fermi, acima e abaixo da temperatura crítica de superfluido T _c , "explica o autor do estudo, Dr. Carlos Kuhn.

Dois, pulsos de laser focalizados (aproximadamente 1,2 milissegundos de duração) que se cruzam dentro do gás criam uma perturbação periódica para os átomos de lítio.

Imediatamente após o pulso de laser duplo, a armadilha óptica confinante é desligada e o momento dos átomos é medido após 4 milissegundos de expansão, e pode ser mapeado em função da frequência do laser.

A duração finita e o tamanho dos feixes de Bragg levam a uma resolução espectral limitada de Fourier de aproximadamente 1:25 kHz FWHM que está bem abaixo das energias Fermi típicas, EF 11 kHz, usados ​​nos experimentos.

"Som de alta frequência em um gás Fermi unitário" foi publicado em Cartas de revisão física (PRL) em março de 2020.

Estudos Ultracold na FLEET

O estudo de sistemas quânticos de muitos corpos com fortes interações entre partículas é de grande interesse para a compreensão de novos materiais.

Dentro da FLEET, Chris Vale estuda fenômenos topológicos em gases 2-D de átomos fermiônicos ultracold, investigando implementações de átomos frios da superfluidez topológica de Floquet, aprimoramentos de não-equilíbrio para a temperatura crítica supercondutora e novas formas de matéria topológica com base no acoplamento spin-órbita opticamente induzido em gases atômicos 2-D, no Tema de Pesquisa 3.

O tema de pesquisa 3 da FLEET estuda sistemas que estão temporariamente fora do equilíbrio térmico para investigar a física qualitativamente diferente exibida e novas capacidades para controlar dinamicamente seu comportamento.

Chris lidera o estudo de gases quânticos na Swinburne University of Technology. Nessas coleções de átomos resfriados a apenas 100 nano-Kelvins acima do Zero Absoluto, comportamentos que geralmente são encontrados apenas no nível microscópico tornam-se proeminentes no nível macroscópico.

O estudo da equipe de gases Fermi confinados a 2-D testa novos paradigmas para transporte sem dissipação em matéria quântica topológica e fora de equilíbrio sintetizada a partir de átomos ultracold.

Chris é um dos quase 100 pesquisadores da FLEET, todos motivados por um grande desafio:reduzir a energia utilizada nas tecnologias de informação e comunicação (TIC), que já responde por pelo menos 8% do uso global de eletricidade, e está dobrando a cada década.