振动光和物质的量子流体探测超流体| ARC未来低能电子技术卓越中心

一个容器“桶”(红色)装着光物质冷凝物(蓝色)

由光和物质组成的量子流体的“晃动”揭示了超流体的特性。

澳大利亚领导的一个物理学家团队成功地在一个由遏制激光形成的“桶”中创造了晃动的量子液体。

首席作者Eliezer Estrecho博士说:“这些量子流体预计会像海洋一样波浪起伏，但捕捉海浪的清晰照片是一项实验挑战。”

在澳大利亚国立大学(ANU)的领导下，该团队偶然地在一个光学控制的桶中观察到了量子流体的波浪运动，对这种奇特的混合光物质系统的超流体特性有了新的认识。

超流体是没有阻力的粒子流动，FLEET研究人员将其应用于超低能量电子产品。

这项新研究由澳大利亚国立大学FLEET研究员Eliezer Estrecho博士领导。(来源:澳大利亚国立大学Phil Dooley)

该团队在一个激光制造的“桶”中进行了实验，该“桶”捕获了被称为激子-极化激子的粒子，这是半导体中的光-物质混合粒子。

当这些粒子冷却下来时，它们会形成一个巨大的量子物体，称为玻色-爱因斯坦凝聚态(有时被称为物质的第五种状态)，在这个凝聚态中，量子现象可以在宏观尺度上看到。

通讯作者Elena Ostrovskaya教授说:“冷却粒子损失的多余能量不会轻易消失，所以冷凝物会表现出某种波动行为，这对每一次冷凝都是随机的。”

这种随机性使得成像相机很难检测到瞬态振荡，因为它会在实验中平均掉。

然而，碰巧的是，“桶”是倾斜的。

埃斯特雷乔博士说:“在大多数实验中，我们尽量避免倾斜，因为它会使分析复杂化。”

“但在这种情况下，‘讨厌的’倾斜使振荡的观测成为可能，因为它有利于冷凝物沿着倾斜方向晃动。

在位置空间(左)和动量空间(右)中晃动量子流体。慢了一亿次。

在凝聚态的位置和动量上都观察到了晃动振荡，在普通显微镜可以看到的宏观尺度上漂亮地展示了量子力学定律。然而，振荡非常快，因此只能使用皮秒级时间分辨率的相机来观察它们。

实验的真正美妙之处在于对振荡频率的分析，因为它与声速直接相关，可以探测量子流体的超流体特性。这一点尤其相关，因为这种特殊的量子流体可以在室温下存在，因此在器件应用方面很有前景。

通过巧妙的分析，该团队从实验数据中提取出了声速，并发现它比主流理论的预期要小。研究小组认为，这种差异源于一个看不见的热物质粒子库的存在，这些热物质粒子与混合光物质粒子相互作用。

此外，该实验还为减缓超流体的可能效应提供了线索。在绝对零度温度下，振荡预计永远不会结束，因为系统是超流体。然而，在有限温度下，情况并非如此，因此研究振荡的阻尼率对于理解超流体是至关重要的。

初步结果表明，无论是储层粒子、有限温度还是激子-极化激子固有的短寿命都不能单独解释观测到的阻尼率。因此，需要进一步的理论研究，结合这些效应和精心控制的实验，以更好地理解非平衡量子流体。

激子-极化子凝聚态中的低能集体振荡和Bogoliubov声作为编辑的建议发表在物理评论快报2021年2月。(DOI 10.1103 / physrevlett.126.075301)

澳大利亚国立大学FLEET的研究人员非线性物理中心和激光物理中心与物理和天文系的合作者合作，匹兹堡大学(美国)电气工程系普林斯顿大学(美国)。

奥斯特罗夫斯卡娅教授是FLEET的负责人研究主题2该项目试图在原子薄的半导体中产生激子-极化子凝聚，以实现室温超流。

本研究中量子流体的晃动所探测到的超流现象是实现低能激子晶体管的一种候选物理现象。

超流体是一种量子状态，在这种状态下，所有粒子(如激子-极化激子)都以相同的动量流动，并且没有能量损失给其他运动。

未来低能电子技术中心(FLEET)是由100多名研究人员合作建立的，旨在开发超低能量电子产品，以应对计算中能源使用的挑战，计算已经消耗了全球8%的电力，并且每十年就会翻一番。

晃动光和物质的量子流体来探测超流体