Propagação do som em um gás Fermi bidimensional. A imagem mostra a densidade do gás no tempo, logo após uma onda sonora ter sido excitada. Os valores de vermelho escuro correspondem a uma alta densidade, valores mais leves para uma densidade baixa. Pode-se ver uma onda viajando para cima e para baixo entre os limites do gás várias vezes conforme o tempo avança para a direita. Não mostrado:o amortecimento da onda sonora é mais baixo onde as partículas do gás interagem com mais força. Crédito:Bohlen et al.
Quando um novo sistema físico é criado ou descoberto, os pesquisadores geralmente estudam em profundidade para desvendar suas propriedades e características distintas. Por exemplo, eles podem tentar determinar como o sistema reage quando é perturbado, e de que forma esse distúrbio normalmente se propaga através dele.
Para explicar isso em termos mais simples, um pesquisador pode investigar como diferentes fluidos (por exemplo, agua, óleo, ou mel) respondem quando uma pedra é atirada neles. Nesses casos, atirar uma pedra normalmente levaria à formação de ondas, que então amorteceria em taxas / velocidades variáveis, dependendo da viscosidade do fluido em questão.
Um caso semelhante é o das excitações de densidade em gases. Esses são essencialmente aumentos de densidade que se propagam através de um gás na forma de ondas sonoras.
Pesquisadores da Universidade de Hamburgo e da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, realizaram recentemente um estudo com o objetivo de descobrir as propriedades termodinâmicas e de transporte de um gás Fermi 2-D examinando como as ondas sonoras se propagam e amortecem nele. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , mostra que o sistema que eles criaram e examinaram é um sistema de modelo quase perfeito para investigar a física de correlações fortes em dimensões reduzidas.
"Nosso experimento está entre os poucos em todo o mundo em que gases Fermi 2-D ultracold são produzidos e investigados, "Markus Bohlen, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Esses sistemas são cativantes:a interação de fortes interações e dimensionalidade reduzida leva a fenômenos fascinantes, mas também complica abordagens teóricas. Aqui, experimentos de gás quântico fornecem informações valiosas e permitem estudar esses sistemas em um ambiente limpo e controlado. "
Em seus experimentos, Bohlen e seus colegas começaram a medir a velocidade do som e a atenuação do som em um gás Fermi 2-D ultracold, pois isso, por sua vez, permitiria que eles testassem suas propriedades de excitação. Para fazer isso, eles se concentraram especificamente na propagação e amortecimento das ondas sonoras no gás.
"As ondas sonoras são oscilações de densidade, temperatura, pressão, bem como outras variáveis termodinâmicas, "Bohlen explicou." Essas variáveis não são independentes, mas sim relacionados uns aos outros por meio de uma chamada equação de estado. A equação de estado determina o comportamento termodinâmico do sistema, por exemplo., quanto mais denso ou quente um gás fica quando é comprimido? "
Em seu estudo, Bohlen e seus colegas extraíram a equação de estado de compressibilidade do gás Fermi 2-D a partir da velocidade das ondas sonoras que se propagam dentro dele. A teoria da física sugere que as ondas mais rápidas viajam dentro de um sistema, mais rígido o sistema deve ser (ou seja, menor deve ser sua compressibilidade).
"Um sistema excitado fora do equilíbrio acabará relaxando de volta ao seu estado de equilíbrio, "Bohlen disse." Em um gás de interação forte, a taxa de relaxamento é determinada pela viscosidade do gás e pela condutividade térmica. Esses chamados coeficientes de transporte descrevem como as diferenças rápidas na velocidade ou temperatura são equilibradas através do meio. Ao medir a taxa de amortecimento do som em nosso gás, podemos, portanto, inferir informações sobre esses coeficientes de transporte. "
As medições coletadas pelos pesquisadores levaram a uma série de observações interessantes. Primeiro, Bohlen e seus colegas observaram que no gás Fermi 2-D, as ondas sonoras eram menos amortecidas no regime em que os átomos interagiam com mais força. Essas descobertas podem parecer contra-intuitivas, como se poderia esperar que colisões entre partículas reduziriam o movimento das ondas. Contrariamente, isso ocorre apenas em casos onde há relativamente poucas colisões.
Se as interações entre as partículas forem muito fortes, Contudo, como no experimento dos pesquisadores, a situação muda drasticamente. Isso ocorre porque as colisões frequentes entre as partículas, na verdade, impedem a dispersão de energia e, portanto, inibem a dissipação em vez de aumentá-la.
“No regime em que nos concentramos, os coeficientes de transporte tendem a um limite determinado pela mecânica quântica, que foi conjecturado no contexto das teorias quânticas de campo e observado para diferentes coeficientes de transporte em vários sistemas, "Bohlen disse." Podemos confirmar que este limite é obedecido no caso de difusão de som em gases Fermi 2-D. "
Essas descobertas lançam alguma luz sobre como as ondas sonoras se propagam e diminuem dentro de um gás Fermi 2-D ultracold, revelando assim algumas de suas propriedades termodinâmicas e de transporte. No futuro, o gás examinado em seu artigo poderia ser usado para testar a validade de teorias físicas e modelos relacionados a gases de Fermi de forte interação. Enquanto isso, Bohlen e seus colegas planejam conduzir novos estudos investigando a superfluidez no mesmo gás Fermi 2-D examinado em seu artigo recente.
"A superfluidez (e supercondutividade) está intimamente relacionada à existência da chamada ordem de longo alcance, "Bohlen explicou." Em geometrias 2-D, essa ordem de longo alcance é proibida, no entanto, parece que para todos os materiais que mostram supercondutividade em altas temperaturas, As estruturas 2-D desempenham um papel crucial. Recentemente, mostramos que nosso sistema 2-D é, na verdade, um superfluido, e gostaríamos de lançar luz sobre o papel da dimensionalidade para a robustez da superfluidez. "
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