Une étude de l'Université de technologie de Swinburne publiée cette semaine examine la propagation de l'énergie sous forme d'ondes sonores dans un gaz quantique, révélant pour la première fois de fortes variations dans la nature de l'onde sonore en fonction de la température.

Aux basses énergies, cette énergie voyage via le mouvement collectif de nombreuses particules se déplaçant de manière synchronisée, essentiellement, sous forme d'ondes sonores, quantifiées à l'aide de quasiparticules appelées phonons.

En dessous de la température de transition superfluide T c ces ondes sonores dans un gaz de Fermi unitaire peuvent se propager sans collision et sont entraînées par des ondulations dans la phase du paramètre d'ordre superfluide (fonction d'onde) - ce mode est connu sous le nom de phonon de Bogoliubov-Anderson (BA).

Au-dessus de T c , les ondes sonores deviennent plus fortement amorties, et les collisions jouent un rôle prépondérant.

• inférieur à T c Dans le plus froid, mode superfluide, l'amortissement est dominé par les collisions avec des quasiparticules excitées thermiquement et est bien décrit par la théorie (QRPA)
• > T c Au-dessus de la température de transition, le mode fortement amorti se produit au croisement entre les régimes hydrodynamiques sans collision.
• >> T c A des températures encore plus élevées, la propagation collective des ondes sonores s'évanouit, et l'excitation est dominée par l'énergie des particules individuelles.

De fortes similitudes ont été identifiées dans la dépendance à la température du son dans le gaz de Fermi unitaire et le comportement des phonons dans l'hélium liquide, qui fut l'un des premiers superfluides identifiés historiquement.

Cette étude fournit des références quantitatives pour les théories dynamiques des fermions fortement corrélés.

Les gaz atomiques ultrafroids formés et étudiés dans le laboratoire du professeur Chris Vale à Swinburne permettent un réglage très précis des interactions entre les atomes.

"Nous avons refroidi et confiné un gaz hautement dilué de Li ⁶ atomes, réaliser un gaz de Fermi unitaire, qui présente les interactions les plus fortes permises par la mécanique quantique avec un potentiel de contact, " explique le Pr Vale.

Dans un gaz unitaire, les collisions élastiques deviennent résonantes et les propriétés thermodynamiques du gaz deviennent des fonctions universelles de la température et de la densité. Les gaz unitaires de Fermi permettent de tester avec précision les théories des fermions en interaction.

L'équipe a ensuite étudié les excitations dans le gaz au-dessus et au-dessous de la transition de phase superfluide T c en utilisant la spectroscopie de Bragg à deux photons.

"Nous avons mesuré les spectres d'excitation à une quantité de mouvement d'environ la moitié de la quantité de mouvement de Fermi, au-dessus et au-dessous de la température critique du superfluide T c , " explique l'auteur de l'étude, le Dr Carlos Kuhn.

Deux, des impulsions laser focalisées (d'une durée d'environ 1,2 milliseconde) se croisant dans le gaz créent une perturbation périodique pour les atomes de lithium.

Immédiatement après l'impulsion laser jumelle, le piège optique de confinement est éteint et la quantité de mouvement des atomes est mesurée après 4 millisecondes d'expansion, et peut être cartographié en fonction de la fréquence laser.

La durée et la taille finies des faisceaux de Bragg conduisent à une résolution spectrale limitée à Fourier d'environ 1:25 kHz FWHM qui est bien inférieure aux énergies typiques de Fermi, EF 11 kHz, utilisé dans les expériences.

"High Frequency Sound in a Unity Fermi Gas" a été publié dans Lettres d'examen physique (PRL) en mars 2020.

Etudes ultrafroid à FLEET

L'étude des systèmes quantiques à N corps avec de fortes interactions inter-particules est d'un grand intérêt pour la compréhension de nouveaux matériaux.

Au sein de FLOTTE, Chris Vale étudie les phénomènes topologiques dans les gaz 2-D d'atomes fermioniques ultrafroids, étudier les implémentations d'atomes froids de la superfluidité topologique de Floquet, des améliorations hors d'équilibre de la température critique supraconductrice et de nouvelles formes de matière topologique basées sur le couplage spin-orbite induit optiquement dans des gaz atomiques 2D, dans le thème de recherche 3.

Le thème de recherche 3 de FLEET étudie les systèmes qui sont temporairement hors d'équilibre thermique pour étudier la physique qualitativement différente affichée et les nouvelles capacités de contrôle dynamique de leur comportement.

Chris dirige l'étude des gaz quantiques à l'Université de technologie de Swinburne. Dans ces collections d'atomes refroidis à seulement 100 nano-Kelvins au-dessus du zéro absolu, les comportements qui ne se trouvent généralement qu'au niveau microscopique deviennent prédominants au niveau macroscopique.

L'étude de l'équipe des gaz de Fermi confinés à la 2-D teste de nouveaux paradigmes pour le transport sans dissipation dans la matière quantique topologique et hors d'équilibre synthétisée à partir d'atomes ultrafroids.

Chris est l'un des presque 100 chercheurs de FLEET, tous motivés par un grand défi :réduire l'énergie utilisée dans les technologies de l'information et de la communication (TIC), qui représente déjà au moins 8 % de la consommation mondiale d'électricité, et double chaque décennie.