Son se propageant dans un gaz de Fermi bidimensionnel. L'image montre la densité du gaz dans le temps, peu de temps après qu'une onde sonore ait été excitée. Les valeurs rouge foncé correspondent à une densité élevée, des valeurs plus claires à une faible densité. On peut voir une onde monter et descendre plusieurs fois entre les limites du gaz au fur et à mesure que le temps avance vers la droite. Non représenté :L'amortissement de l'onde sonore est le plus faible là où les particules du gaz interagissent le plus fortement. Crédit :Bohlen et al.
Lorsqu'un nouveau système physique est créé ou découvert, les chercheurs l'étudient généralement en profondeur pour dévoiler ses propriétés et caractéristiques distinctives. Par exemple, ils pourraient essayer de déterminer comment le système réagit lorsqu'il est perturbé, et de quelles manières cette perturbation se propage généralement à travers elle.
Pour expliquer cela en termes plus simples, un chercheur pourrait étudier comment différents fluides (par exemple, l'eau, huile, ou du miel) réagissent lorsqu'on leur jette une pierre. Dans ces cas, lancer une pierre conduirait généralement à la formation de vagues, qui s'amortirait alors à des taux/vitesses variables, en fonction de la viscosité du fluide considéré.
Un cas similaire est celui des excitations de densité dans les gaz. Ce sont essentiellement des augmentations de densité qui se propagent à travers un gaz sous forme d'ondes sonores.
Des chercheurs de l'Université de Hambourg et de l'Université de Heidelberg en Allemagne ont récemment mené une étude visant à découvrir les propriétés thermodynamiques et de transport d'un gaz de Fermi 2-D en examinant comment les ondes sonores se propagent et s'y atténuent. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , montre que le système qu'ils ont créé et examiné est un système modèle presque parfait pour étudier la physique de fortes corrélations dans des dimensions réduites.
"Notre expérience est parmi les rares au monde dans lesquelles des gaz de Fermi ultrafroids 2-D sont produits et étudiés, " Markus Bohlen, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Ces systèmes sont captivants :le jeu d'interactions fortes et de dimensionnalité réduite conduit à des phénomènes fascinants, mais complique aussi les approches théoriques. Ici, Les expériences sur les gaz quantiques fournissent des informations précieuses et permettent d'étudier ces systèmes dans un environnement propre et contrôlé."
Dans leurs expériences, Bohlen et ses collègues ont entrepris de mesurer la vitesse du son et l'atténuation du son dans un gaz de Fermi 2D ultrafroid, car cela leur permettrait à son tour de sonder ses propriétés d'excitation. Pour faire ça, ils se sont spécifiquement concentrés sur la propagation et l'amortissement des ondes sonores dans le gaz.
"Les ondes sonores sont des oscillations de densité, Température, pression, ainsi que d'autres variables thermodynamiques, " expliqua Bohlen. " Ces variables ne sont pas indépendantes, mais plutôt liés les uns aux autres via une équation d'état. L'équation d'état détermine le comportement thermodynamique du système, par exemple., à quel point un gaz devient-il plus dense ou plus chaud lorsqu'il est comprimé ?"
Dans leur étude, Bohlen et ses collègues ont extrait l'équation d'état de compressibilité du gaz de Fermi 2-D à partir de la vitesse des ondes sonores se propageant à l'intérieur. La théorie de la physique suggère que les ondes les plus rapides se déplacent à l'intérieur d'un système, plus le système doit être rigide (c'est-à-dire plus sa compressibilité doit être faible).
"Un système qui est excité hors d'équilibre finira par se détendre à son état d'équilibre, " dit Bohlen. " Dans un gaz en interaction forte, le taux de relaxation est déterminé par la viscosité du gaz et la conductivité thermique. Ces soi-disant coefficients de transport décrivent à quelle vitesse les différences de vitesse ou de température sont équilibrées à travers le milieu. En mesurant le taux d'amortissement du son dans notre gaz, nous pouvons donc déduire des informations sur ces coefficients de transport.
Les mesures recueillies par les chercheurs ont conduit à un certain nombre d'observations intéressantes. D'abord, Bohlen et ses collègues ont observé que dans le gaz de Fermi 2-D, les ondes sonores étaient le moins amorties au régime dans lequel les atomes interagissaient plus fortement. Ces résultats peuvent sembler contre-intuitifs, comme on pouvait s'attendre à ce que les collisions entre particules réduiraient le mouvement des ondes. Au contraire, cela ne se produit que dans les cas où il y a relativement peu de collisions.
Si les interactions entre particules sont très fortes, cependant, comme dans l'expérience des chercheurs, la situation change radicalement. En effet, les collisions fréquentes entre les particules empêchent en fait la dispersion de l'énergie et inhibent ainsi la dissipation plutôt que de l'augmenter.
"Dans le régime sur lequel nous nous sommes concentrés, les coefficients de transport tendent vers une limite déterminée par la mécanique quantique, qui a été conjecturé dans le contexte des théories quantiques des champs et observé pour différents coefficients de transport dans divers systèmes, " a déclaré Bohlen. "Nous avons pu confirmer que cette limite est respectée dans le cas de la diffusion du son dans les gaz de Fermi 2-D."
Ces résultats mettent en lumière la façon dont les ondes sonores se propagent et s'atténuent à l'intérieur d'un gaz de Fermi 2D ultrafroid, dévoilant ainsi certaines de ses propriétés thermodynamiques et de transport. À l'avenir, le gaz examiné dans leur article pourrait être utilisé pour tester la validité des théories et des modèles physiques liés aux gaz de Fermi à forte interaction. Pendant ce temps, Bohlen et ses collègues prévoient de mener de nouvelles études sur la superfluidité dans le même gaz de Fermi 2-D examiné dans leur récent article.
"La superfluidité (et la supraconductivité) est étroitement liée à l'existence de ce qu'on appelle l'ordre à longue distance, " expliqua Bohlen. " Dans les géométries 2D, un tel ordre à longue distance est interdit, pourtant il semble que pour tous les matériaux présentant une supraconductivité à haute température, Les structures 2D jouent un rôle crucial. Nous avons récemment montré que notre système 2-D est, En effet, un superfluide, et nous aimerions faire la lumière sur le rôle de la dimensionnalité pour la robustesse de la superfluidité."
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