用声波探测超冷量子气体以揭示超流体的独特性质

斯威本科技大学的超冷原子实验室。

声波揭示了超冷量子气体的独特属性，该超冷量子气体是用于描述某些超导体和核物质形式的模型系统。澳大利亚的一项新研究检查了能量在声波中作为声波在量子气体中的传播，这首次揭示了声波的性质随温度的强烈变化。

在低能状态下，这种能量通过许多粒子的集体运动而传播，这些粒子基本上是声波，它们通过使用声子的准粒子进行了同步运动（本质上是声波）。

在超流体转变温度Tc以下，单一费米气体中的这些声波可以无碰撞地传播，并由超流体阶数参数（波动函数）的相位中的波纹驱动-这种模式被称为Bogoliubov-Anderson（BA）声子。

高于Tc时，声波的阻尼变得更强，并且碰撞起主要作用。

在单一费米气体中的声音对温度的依赖性以及液氦中的声子的行为方面发现了很强的相似性，液氦是历史上发现的最早的超流体之一。

这项研究为强相关费米子的动力学理论提供了定量基准。

单一费米气体的激发光谱显示（顶部）实验数据和（b）理论。

克里斯·韦尔（Chris Vale）教授在斯威本（Swinburne）实验室形成和研究的超冷原子气体可以非常精确地调节原子之间的相互作用。

维尔教授解释说：“我们冷却并限制了高度稀薄的Li6原子气体，实现了单一的费米气体，该费米气体具有量子力学所允许的最强相互作用，并且具有接触电势。”

在单一气体中，弹性碰撞变得共振，并且气体的热力学性质成为温度和密度的通用函数。单一费米气体可以精确测试相互作用的费米子的理论。

克里斯·韦尔（Chris Vale）教授在斯威本科技大学领导FLEET的超冷原子气体研究。

然后，研究小组使用双光子布拉格光谱技术研究了超流体相变Tc上方和下方的气体中的激发。

研究作者卡洛斯·库恩博士解释说：“在超流体临界温度Tc之上和之下，我们在大约费米动量的动量下测量了激发光谱”。

在气体中相交的两个聚焦激光脉冲（持续时间约1.2毫秒）对锂原子产生周期性的扰动。

在双激光脉冲之后，紧紧地将约束光阱切掉，并在4毫秒膨胀后测量原子的动量，并且可以将其映射为激光频率的函数。

布拉格束的有限持续时间和大小导致傅立叶极限频谱分辨率约为1:25 kHz FWHM，远低于实验中使用的典型费米能量EF 11 kHz。

参考：C.C.N.的“单一费米气体中的高频声音” Kuhn，S.Hoinka，I.Herrera，P.Dyke，J.J。 Kinnunen，G.M. Bruun和C.J. Vale，2020年4月13日，《物理评论快报》。
10.1103 / physrevlett.124.150401