Физики обнаружили резкий рост контактного параметра при переходе газа фермионов в сверхтекучее состояние

C. Carcy et al. / Physical Review Letters, 2019

Австралийские физики впервые измерили поведение контактного параметра фермионов вблизи критической точки — оказалось, что при переходе газа атомов лития-6 в сверхтекучее состояние этот параметр резко вырастает на 15 процентов. Этот результат подтверждает теорию Латтинжера — Уорда и исключает некоторые другие теории. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Чем сильнее вы охлаждаете газ, тем сильнее проявляются его квантовые свойства. Если частицы газа подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, они собираются в одном квантовом состоянии и образуют бозе-конденсат; если же частицы являются фермионами, из-за принципа запрета Паули между ними возникает сила эффективного отталкивания. Качественное объяснение такого поведения можно найти в материале «Квантовые газы при низких температурах». Однако в некоторых случаях эта стройная картина разрушается из-за взаимодействия между частицами. Наверное, самый известный пример такого взаимодействия, — взаимодействие электронов и фононов, в результате которого фермионы объединяются в куперовские пары, образуют бозе-конденсат и превращают материал в сверхпроводник. Аналогичные процессы также происходят в жидком гелии-3, который может переходить в сверхтекучее состояние, хотя его частицы подчиняются статистике Ферми.

К сожалению, физики до сих пор не до конца понимают, как связывание частиц в пары сказывается на свойствах физических систем. Конечно, теории сверхпроводимости и сверхтекучести фермионов давно построены и хорошо работают вдали от критической температуры (то есть температуры, ниже которой происходит конденсация фермионных пар). Однако мнения физиков расходится, когда они пытаются описать поведение системы вблизи критической температуры. В частности, сразу несколько теоретических моделей вблизи этой температуры предсказывают [1,2,3] разное значение контактного параметра C, определяющего вероятность, с которой два фермиона находятся поблизости друг от друга. Проблему усугубляет отсутствие экспериментов, в которых измерялось бы поведение этого параметра при фазовом переходе.

Группа физиков под руководством Криса Вейла (Chris Vale) наконец поставила такой эксперимент. В качестве системы фермионов ученые выбрали облако из нескольких сотен тысяч атомов лития-6, которые находились в одном из двух квантовых состояний с наименьшей энергией. Для удерживания облака физики использовали магнитно-оптическую ловушку. Затем ученые накладывали на систему внешнее магнитное поле, которое заставляет атомный газ «испаряться»: из-за градиента магнитного поля самые быстрые (то есть самые «горячие») атомы покидают ловушку, а самые медленные («холодные») — остаются. Подбирая напряженность поля и выключая его в заданный момент времени, ученые контролировали размер и — самое главное — температуру конечного облака.

Чтобы измерить зависимость контактного параметра от температуры, исследователи воспользовались брэгговской спектроскопией. Другими словами, физики фокусировали в центре облака (в этой области газ был практически однородным) два мощных лазерных луча, а затем измеряли отклик облика. По частоте и амплитуде его излучения ученые восстанавливали корреляционную функцию плотностей фермионов в разных точках, которая однозначно связана с динамическим структурным фактором. Наконец, используя операторное разложение (OPE) ученые связывали высокочастотное поведение структурного фактора с контактным параметром C.

В результате физики установили следующие закономерности в поведении контактного параметра. В сверхтекучей фазе (ниже критической температуры) C ≈ 3. При прохождении через критическую точку этот параметр практически мгновенно падает на 15 процентов (до C = 2,5), а затем продолжает оставаться практически на постоянном уровне, медленно снижаясь вплоть до температуры Ферми. По словам ученых, это поведение совпадает с теоретическими предсказаниями, основанными на самосогласованной теории Латтинжера — Уорда, и исключает некоторые другие теории.

Стоит отметить, что одновременно с работой группы Вейла в Physical Review Letters была опубликована еще одна статья (препринт), посвященная измерению контактного параметра в газе атомов лития-6. В этой статье группа физиков под руководством Мартина Цвирляйна (Martin Zwierlein) добивалась однородности газа, помещая его в прямоугольный потенциал, а в остальном работа ученых практически в точности совпадает с работой группы Вейла. Результаты ученых также совпадают в пределах погрешности; также совпадают выводы обеих групп. Еще более удивительно, что статьи вышли одновременно не только в рецензируемом журнале, но и на архиве препринтов: группа Вейла выложила препринт 21 февраля, а группа Цвирляйна — 22 февраля.

В феврале этого года мы писали про еще один интересный эффект, связанный с сильным взаимодействием между нуклонами (которые, очевидно, тоже относятся к фермионам). Тогда группа CLAS показала, что объединение нуклонов в пары снижает сечение глубоко-неупругого рассеяния электронов на ядре по сравнению с сечением аналогичного процесса, в котором ядро заменено набором несвязанных нуклонов. Объяснить этот эффект, которые ученые называют эффектом EMC, до этого не удавалось почти 35 лет.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.