Une étude FLEET/Swinburne publiée cette semaine résout un débat de longue date sur ce qui se passe au niveau microscopique lorsque la matière passe à un état supraconducteur ou superfluide.

Les corrélations entre les paires d'atomes dans un gaz ultra-froid se sont développées soudainement lorsque le système se refroidissait en dessous de la température de transition superfluide, plutôt que d'apparaître progressivement à des températures plus élevées, comme certaines théories l'ont prédit.

Des expériences ont été menées dans le laboratoire de gaz atomique ultra-froid de l'Université de technologie de Swinburne, utilisant des gaz d'atomes de lithium refroidis à des températures inférieures à 100 nano-Kelvin.

Mécanisme d'appairage de déverrouillage des systèmes Fermi-gas

La nouvelle étude ouvre les fonctions clés d'un état de la matière connu sous le nom de « gaz de Fermi », dont des exemples incluent des électrons se déplaçant librement dans un conducteur électrique (comme dans un courant électrique conventionnel), ou des protons et des neutrons dans un noyau. D'autres systèmes de gaz de Fermi incluent des états plus exotiques, comme les électrons dans les supraconducteurs, ou le « superfluide » des neutrons dans une étoile à neutrons.

"L'une des questions ouvertes sur les systèmes Fermi-gaz à forte interaction a été le rôle de l'appariement, " explique le professeur Chris Vale de FLEET CI. " Notre étude a démontré que, à la température de transition superfluide, les corrélations de paires augmentent brusquement, plutôt que progressivement, comme cela a été prédit par certaines théories."

Cette observation a été quantifiée par des mesures d'un paramètre universel, connu sous le nom de « paramètre de contact ». Ce paramètre quantifie la probabilité de trouver deux atomes très proches l'un de l'autre, et est fortement renforcée lorsque les atomes forment des paires.

Une étude connexe, par le groupe de Martin Zwierlein au Massachusetts Institute of Technology et publié dos à dos avec l'article du groupe Swinburne trouvé des résultats presque identiques, en utilisant une méthode totalement différente. Les expériences de Swinburne et du MIT représentent une percée clé dans notre compréhension de l'appariement dans les systèmes superfluides de Fermi avec de fortes interactions entre les particules.

Les résultats expérimentaux indiquent une théorie correcte

L'équipe de Swinburne a généré un gaz de Fermi unitaire d'atomes de lithium-6 et a sondé le système en mesurant la quantité de mouvement transmise aux atomes par une paire de faisceaux laser croisés, qui perturbent le gaz de manière bien définie. A partir de ces données, l'équipe a extrait le paramètre de contact, qui a affiché une augmentation rapide d'environ 15% lorsque la température a été abaissée en dessous du point de transition superfluide.

Les tentatives théoriques pour calculer l'évolution de la température du paramètre de contact sont notoirement difficiles et ont donné des prédictions très différentes qui dépendent du modèle pour les fermions en interaction. Les expériences de Swinburne et du MIT soutiennent la théorie de Luttinger-Ward, qui dit que l'appariement s'active brusquement à la température de transition.

« Règles de contact et de somme dans un gaz de Fermi presque uniforme à l'unité » a été publié dans Lettres d'examen physique cette semaine.