Физики услышали затухание звуковых волн в ферми-газе

Физики экспериментально измерили величину и температурную зависимость коэффициента диффузии — параметра, характеризующего скорость затухания звуковых волн в среде, для низкотемпературного ферми-газа. Данные измерений в будущем помогут в исследованиях других разновидностей такого состояния вещества — например, ядерной или нейтронной материи внутри компактных звезд. Статья опубликована в журнале Science.

Под звуком принято понимать волны механических колебаний, которые распространяются в какой-либо среде — так, привычный для нас слышимый звук представляет собой возмущения плотности воздуха с частотой от десятков герц до десятков килогерц (то есть колебаний в секунду). При свободном распространении звуковые волны постепенно затухают — это связано с тем, что в каждый момент времени частицы, которые находятся в уплотненной области среды (то есть в окружении большого числа соседей), в среднем стремятся покинуть их и диффундировать (самопроизвольно проникнуть) в более разреженные участки. Благодаря такому процессу разброс плотности в пространстве — иными словами, амплитуда волны, — постепенно уменьшается.

Скорость этого затухания характеризует коэффициент диффузии — величина, которая определяет отношение потока частиц между двумя небольшими близкими областями среды к разности концентрации частиц в этих областях. С одной стороны, значение этого коэффициента определяется свойствами вещества на микроуровне, а с другой — его удобно измерять в эксперименте. Это облегчает исследование экзотических состояний вещества — чтобы подтверждать или опровергать теоретические модели, которые описывают коллективное поведение частиц среды, достаточно наблюдать за тем, как затухают в такой среде звуковые волны.

Физики из США и Франции под руководством Парта Пателя (Parth Patel) из Массачусетского Технологического Института изучили затухание звуковых волн в одном из типов экзотических сред — ферми-газе, то есть системе из большого числа невзаимодействующих тождественных фермионов — частиц, свойства которых запрещают им находиться в абсолютно одинаковых квантовых состояниях.

Макроскопическим естественным примером ферми-газа считается вещество в компактных и плотных небесных телах — электроны в белых карликах и нейтроны в нейтронных звездах. Понимание устройства этих объектов важно для астрофизических моделей, а исследовать внутренности звезд напрямую сегодня невозможно — в частности, поэтому становится необходимым изучение свойств ферми-газа в условиях лаборатории.

В качестве ферми-газа авторы использовали порядка двух миллионов атомов стабильного изотопа лития (⁶Li), которые заключили в цилиндрическую оптическую ловушку диаметром в 120 и длиной в 100 микрометров, составленную из трех лазерных пучков — продольного, который задавал форму области, и двух поперечных лучей-стенок.

Образец ученые охлаждали до температур в десятки—сотни нанокельвин, чтобы он стал проявлять квантовые свойства — этой области температур приближенно соответствует энергия Ферми — энергетический уровень, вероятность занять который для частицы равна 50 процентам. Затем физики начинали синусоидально (плавно и периодически) менять интенсивность одного из лучей-стенок с регулируемой частотой в диапазоне около сотен герц — благодаря этому в ферми-газе возникали звуковые волны, которые затухали при движении между стенками цилиндра.

На частотах, при которых в полную длину цилиндра укладывалось целое число длин звуковых волн, исследователи регистрировали резонансное увеличение амплитуды — отражаясь, волна накладывалась сама на себя и усиливалась. Однако за счет затуханий на высоких частотах это усиление было менее выраженным, а разброс частоты, вблизи которого наблюдалось возрастание амплитуды — более широким (услышать, как меняется интенсивность волны с частотой, можно на записи ниже). Описав этот эффект при помощи теоретической модели, включающей коэффициент диффузии, ученые воспроизводили значение последнего, которое наилучшим образом согласовывало прогнозируемые и наблюдаемые данные.

В результате физикам удалось измерить коэффициент диффузии ферми-газа и проследить его температурную зависимость — в соответствии с теоретическими прогнозами, при низких температурах эта величина приближалась к предельному значению, которое приблизительно равно отношению редуцированной постоянной Планка к массе одной ферми-частицы. С ростом температуры коэффициент увеличивался, оставаясь в пределах того же порядка, и с приближением к температуре Ферми (то есть энергии Ферми в температурных единицах) зависимость плавно переходила в уже известный высокотемпературный режим (пропорциональность T^3/2).

Авторы отмечают, что благодаря масштабной инвариантности свойств ферми-газа — то есть их неизменности при одновременном изменении значений характерных величин — результаты, которые получены для ансамбля атомов лития, нетрудно обобщать и на другие коллективы фермионов — например, ядерную или нейтронную материю, исследование которых требуется для целей астрофизики.

Ранее мы рассказывали о том, как физики научились измерять температуру ферми-газа без разрушения состояния и нашли способ навязать фермионное поведение бозонам.