Универсальное масштабирование Киббла–Зурека в атомной сверхтекучей жидкости Ферми
Механизм Киббла–Зурека (KZ) — это теоретическая структура, введенная физиками Томом Киббл и Войцехом Зуреком. Эта структура по сути описывает образование топологических дефектов, когда системы подвергаются неравновесным фазовым переходам. Исследователи из Сеульского национального университета и Института фундаментальных наук в Корее недавно наблюдали масштабирование KZ в однородном и сильно взаимодействующем ферми-газе при его переходе в сверхтекучее состояние. Их статья, опубликованная в журнале Nature Physics, может проложить путь для дальнейших экспериментальных исследований этой давней физической концепции. Центральное предсказание масштабирования KZ заключается в том, что количество квантовых вихрей должно масштабироваться по степенному закону относительно того, как быстро вы проходите через сверхтекучий фазовый переход. Настоящая изюминка исследования в том, что учёные наблюдали предсказанное поведение масштабирования KZ, используя как температуру, так и силу взаимодействия в качестве двух отдельных ручек управления.
Времяпролетное изображение атомного облака 6Li, где темные области плотности представляют собой квантовые вихри.
Автор: Кюхван Ли из SNU
«Сверхтекучесть и сверхпроводимость очаровывали физиков почти столетие», — рассказал Phys.org соавтор статьи Кюхван Ли. «Это прекрасные проявления квантовой механики в больших масштабах.
«Грубо говоря, когда у нас есть много взаимодействующих частиц, которые достаточно холодны, они могут коллективно течь без какого-либо сопротивления. Возникает естественный вопрос: как рождаются сверхтекучие жидкости и что происходит при переходе из нормальной фазы (в которой они текут с сопротивлением, как большинство обычных жидкостей) в сверхтекучую фазу?»
В 1980-х годах Журек решил заняться этим интересным исследовательским вопросом экспериментально, черпая вдохновение из недавних космологических фреймворков Киббла. Журек предположил, что исследование остатков фазового перехода физической системы в сверхтекучую среду позволит получить интересные сведения о том, как возникают сверхтекучие жидкости.
«В контексте нашего эксперимента остатки — это квантовые вихри, вихревой поток с квантованным угловым моментом», — сказал Ли. «Центральное предсказание, теперь также известное как масштабирование KZ, заключается в том, что количество квантовых вихрей должно масштабироваться по степенному закону относительно того, как быстро вы проходите через сверхтекучий фазовый переход.
«Чем быстрее вы проходите фазовый переход, тем больше квантовых вихрей вы получаете, поскольку сверхтекучей жидкости требуется меньше времени, чтобы приспособиться к внешним изменениям параметров системы».
Хотя масштабирование KZ применимо к широкому спектру систем, включая сверхтекучие жидкости, сегнетоэлектрики, сверхпроводники, ионные ловушки и массивы атомов Ридберга, до сих пор оно наблюдалось в основном в некоторых из этих систем. Основной целью исследования Ли и его коллег было наблюдение масштабирования KZ в сверхтекучей жидкости Ферми, что до сих пор оказалось особенно сложным.
«Настоящая изюминка здесь в том, что мы наблюдали предсказанное поведение масштабирования KZ, используя как температуру, так и силу взаимодействия в качестве двух отдельных ручек управления», — сказал Ли.
Атомное облако 6Li. Типичный диаметр облака составляет 350 мкм.
Кредит: Кюхван Ли из SNU
Образец, используемый исследователями, представлял собой атомное облако 6 Li, охлажденное до чрезвычайно низких температур (т. е. нескольких десятков нанокельвинов). Их образец имел уникальную конфигурацию, которую они создали с помощью пространственного модулятора света (SLM). Его конфигурация состояла из пространственно однородного атомного облака с дисковой геометрией и диаметром примерно 350 мкм.
«Чтобы наблюдать поведение масштабирования KZ, нам нужен был пространственно однородный образец с большой площадью», — пояснил Ли. «Он должен был быть однородным, потому что мы хотели, чтобы сверхтекучий фазовый переход происходил одновременно по всему образцу.
«Если есть нерегулярности, фазовые переходы происходят в разное время для разных мест, что затрудняет сравнение наблюдений с теоретическими предсказаниями. Мы также хотели, чтобы он был большим, чтобы мы могли наблюдать множество квантовых вихрей и избегать эффектов конечного размера».
Еще одним важным фактором, который исследователи учитывали при разработке своего эксперимента, была настраиваемость взаимодействий в их экспериментальной системе. Для настройки межатомных взаимодействий они использовали так называемый магнитный резонанс Фешбаха между 6 атомами Li в своем облаке.
«Это дало нам еще один инструмент для исследования динамики сверхтекучего фазового перехода, вместо того, чтобы использовать только температуру в качестве ручки управления», — сказал Ли. «Вооружившись этими захватывающими инструментами, мы гасили либо температуру, либо силу взаимодействия через сверхтекучий фазовый переход с различной скоростью».
Независимо от того, меняли ли они температуру своей системы или силу взаимодействия между атомами, Ли и его коллеги наблюдали идентичное (т. е. универсальное) поведение масштабирования KZ в своем образце в широком динамическом диапазоне. Таким образом, их исследование привело к успешному наблюдению масштабирования KZ в сверхтекучей жидкости, которое ранее оставалось неуловимым.
«В жидком 4He, еще одном типичном примере сверхтекучей системы, типичный масштаб времени динамики фазового перехода был просто вне досягаемости с помощью обычных механических методов охлаждения давлением», - сказал Ли.
«В жидком 3He наблюдались признаки генерации квантовых вихрей, которая была возможна благодаря быстрым ядерным реакциям. Однако множество неизвестных факторов затрудняли прямое сравнение с масштабированием KZ.
«В области ультрахолодных атомарных газов проводится важная работа по проверке спонтанного образования квантовых вихрей и раскрытию статических и динамических масштабных свойств, но типичная конфигурация образца затрудняет определение масштабного поведения KZ».
Недавняя работа этой группы исследователей является значительным вкладом в изучение масштабирования KZ в сверхтекучих жидкостях. Наиболее заметным достижением было наблюдение одинакового поведения масштабирования независимо от того, манипулировала ли группа температурой или взаимодействиями в своем образце.
«Концепция универсальности, которая в настоящее время преподается даже на курсах статистической механики для студентов младших курсов, позволяет нам понимать ошеломляюще сложные системы очень «экономным» способом», — сказал Ли. «По-настоящему ошеломляет, что мы можем выделить общую черту в такой сложной динамике фазового перехода».
В своих следующих исследованиях Ли и его коллеги планируют более подробно изучить поведение, которое они наблюдали во время своих экспериментов, которое не может быть просто объяснено механизмом KZ. Их будущие усилия могут привести к дальнейшим ценным наблюдениям, еще больше углубив понимание динамики неравновесного фазового перехода в сверхтекучих жидкостях Ферми.
«Для быстрых закалок мы наблюдали отклонение от поведения масштабирования KZ как для температурных, так и для взаимодействующих закалок», — пояснил Ли. «Одним из возможных сценариев для объяснения этого является так называемое раннее огрубление.
«Проще говоря, раннее огрубление предполагает, что начальная (или ранняя) динамика сверхтекучего роста подавляет образование квантовых вихрей для быстрого гашения. Используя методы интерферометрии для измерения фазовой когерентности, теперь было бы интересно исследовать, как динамика огрубления вписывается в эту картину».
