Физики увидели переход между ферми-жидкостью поляронов и идеальным газом
Физики из Франции и США впервые увидели переход между ферми-жидкостью поляронов и идеальным газом в несбалансированной системе сильно взаимодействующих фермионов. Для этого ученые использовали метод радиочастотной эмиссионной спектроскопии — снимали спектр возбуждений системы и следили, как характерная ширина спектрального пика зависит от температуры. Кроме того, исследователи измерили сжимаемость газа спиновых примесей и массу фермиевских поляронов, которые образуются в системе при низких температурах. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
При комнатной температуре большинство газов можно считать почти идеальными и описывать с помощью уравнения Менделеева — Клапейрона. Грубо говоря, дело в том, что в таких условиях энергия молекул размазана в широком диапазоне, квантовые состояния частиц пересекаются редко, и потому квантовыми эффектами в целом можно пренебречь. Однако при понижении температуры частицы «встречаются» все чаще и чаще, и квантовые эффекты перевешивают классические. В зависимости от того, какой статистике подчиняются молекулы газа, при нулевой температуре он превращается либо в бозе-конденсат, все частицы которого находятся в одном квантовом состоянии, либо в ферми-газ, в котором частицы занимают разные состояния из-за принципа запрета Паули.
Разумеется, на практике охладить газ до абсолютного нуля не получается, а потому его поведение всегда немного отличается от идеального. Кроме того, даже при низких температурах частицы могут сильно взаимодействовать друг с другом, и тогда система будет напоминать скорее жидкость, чем газ. Поведение таких «почти идеальных» систем физики описывают с помощью квазичастиц — возбуждений, которые распространяются на фоне идеальной системы и напоминают «настоящие» частицы. В частности, им можно приписать заряд и массу (точнее, энергетический спектр определенной формы). Квазичастицы позволяют существенно упростить описание квантового газа или жидкости. При низкой температуре отклонения от идеального квантового газа слабые, поэтому описание в терминах квазичастиц хорошо работает. Однако при увеличении температуры время жизни квазичастиц быстро уменьшается, и система переходит в классический режим. В промежуточном состоянии оба подхода теряют применимость, а потому его важно исследовать, чтобы лучше понять свойства квантовых систем.
Группа физиков под руководством Мартина Цверляйна (Martin Zwierlein) исследовала подобные переходы в несбалансированном ферми-газе сильно взаимодействующих атомов лития-6, которые находились на одном из трех низших уровней сверхтонкой структуры (для удобства ученые пронумеровали их в порядке возрастания энергий). Большинство атомов находилось в состоянии |3⟩ и смотрели спином вверх, оставшиеся атомы находились в состоянии |1⟩, а их спин был направлен вниз. Подробно прочитать, как ученые получили такую систему, можно в кратком пересказе журнала Physics.
При низких температурах несбалансированный ферми-газ приближенно описывается феноменологической теорией ферми-жидкости, разработанной Львом Ландау еще в середине 1950-х годов. Квазичастицами в данном случае выступают фермиевские поляроны — спиновые примеси (атомы в состоянии |1⟩), «одетые» облаком возбуждений. При высокой температуре поляроны быстро распадаются, и система превращается в классический идеальный газ. Чтобы понять, большая температура или маленькая, ее нужно сравнить с температурой Ферми, которая примерно равна 5×10−6 кельвинов.
Чтобы уловить момент перехода, ученые использовали метод радиочастотной эмиссионной спектроскопии (rf ejection spectroscopy) — светили на систему радиоволнами, которые переворачивали атомы из состояния |1⟩ в состояние |2⟩, в котором частица практически не взаимодействует с остальными атомами. Измеряя число «перевернутых» атомов, физики восстанавливали спектр возбуждений системы. В свою очередь, по форме спектра исследователи определяли параметры квазичастиц. В частности, самая важная информация содержалась в характерной ширине спектрального пика, по которой можно определить энергию связи и скорость распада поляронов.
Физики обнаружили, что при низких температурах характерная ширина пика росла квадратично, а при высоких — падала обратно пропорционально квадратному корню из температуры. В промежуточной области зависимость достигала максимума. Эти зависимости совпадают с теоретическими предсказаниями для скорости распада поляронов в ферми-жидкости и для скорости рассеяния в классическом идеальном газе. Таким образом, ученые впервые увидели переход между несбалансированной ферми-жидкостью и классическим газом (переходы в ферми-газах с равным числом спинов вверх и вниз раньше уже наблюдались).
Кроме того, с помощью эмиссионной спектроскопии ученые измерили массу поляронов, возникающих в квантовом режиме, и оценили сжимаемость газа спиновых примесей. Для этого физики следили за высокотемпературным «хвостом» спектра, который характеризует корреляции между атомами, возникающие на близких расстояниях. Измеренная таким образом масса поляронов оказалась примерно на 25 процентов больше массы атомов лития, что хорошо согласуется с численными расчетами и предыдущими экспериментами.
В октябре 2017 года физики из Китая, Германии и Австралии смоделировали одномерную ферми-жидкость — так называемую жидкость Латтинжера — с помощью ультрахолодного газа атомов рубидия-87. С помощью такой модельной системы физики одними из первых исследовали переход между состоянием квантового газа и жидкости Латтинжера через промежуточное критическое состояние.
Про то, как статистика сказывается на свойствах квантового газа и почему при большой температуре отличия между ферми-газами и бозе-газами стираются, подробно рассказывает статья «Квантовые газы при низких температурах». А про интересные свойства, которыми обладают бозе-конденсаты, можно прочитать в материалах «Ниже критической температуры» и «Чашка жидкого гелия».
Дмитрий Трунин
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».