开启超流体| ARC未来低能电子技术卓越中心

奇异的相变开启了未来基于超流体技术的道路。

第一作者Paul Dyke博士(斯威本科技大学)

通过研究一种材料从一种相过渡到另一种相时的微观和宏观变化，例如从冰到水再到蒸汽，我们可以学到很多东西。

但是，虽然这些相变在水的例子中被很好地理解了，但对于一个系统从普通流体到超流体(可以在零摩擦下流动，即不损失任何能量)的动力学知之甚少。

斯威本大学的一项新研究观察了原子气体从正常流体到超流体的转变，为这些非凡状态的形成提供了新的见解，并展望了未来基于超流体的量子技术，如超低能量电子技术。

超流体的形成涉及许多不同的时间尺度，与跨越相边界时发生的不同动力学过程有关。

一个超流体是一种量子状态，在这种状态下，粒子流动时没有阻力。

作为一种非平衡的动态过程，相变在这些迷人的和潜在有用的物质状态中，从理论角度理解是具有挑战性的。

这种多体量子系统中的非平衡现象涉及跨越极大不同时空尺度的相关性的复杂相互作用。在超短的时间尺度下，大多数材料都无法获得完整的动力学。

未来基于量子态的技术，如超流体或超导体，将需要“开关”(开/关)，因此了解系统在开关后如何演变，可以回答重要的基本问题，比如这些设备的运行速度有多快。

超流体的形成涉及大量量子力学粒子中许多微观成分的相关运动。

斯威本科技大学的超冷原子实验室

“然而，超冷原子的稀释气体允许在可访问的时间尺度上测量实时动态，”主要作者Paul Dyke博士解释道。

“在这里，我们使用了一种强相互作用费米原子的超冷气体(即费米气体)，来研究在相互作用突然熄灭后，形成超流体所需的相关性是如何建立起来的。这会使系统失去平衡。”

“通过测量系统恢复平衡时的后续动态，我们可以解决所涉及的不同时间尺度，以便建立各种相关性。这些时间尺度取决于相应的长度尺度，短距离相关性和对的形成迅速发展，而整体动量分布可能需要几个数量级才能达到平衡。”

新的实验表明:

接触参数量化了在彼此非常接近的地方找到两个原子的可能性，当原子形成对时，接触参数会强烈增强。

费米气体淬火至幺正态的动力学发表于物理评论快报2021年9月(DOi: 10.1103/ physrevlet .127.100405)

以及感谢澳大利亚研究理事会在资助方面，作者感谢Tapio Simula (Swinburne)， Meera Parish和Jesper Levinsen (Monash/FLEET)以及Matthew Davis (UQ/FLEET)的同事进行了有益的讨论和反馈。

通讯作者Chris Vale教授在斯威本科技大学领导FLEET的超冷原子气体研究

研究人员经常使用超冷原子来研究量子系统，因为它能够完美地“调节”原子之间的相互作用。

超冷中性原子的量子气体现在正在帮助解开费米系统的基础物理学，经常发现在其他系统中不易接触到的现象。

通过增加费米子原子之间的相互作用强度，实验可以探索“幺正”极限，在这里原子行为有望揭示相互作用费米子的普遍特征，这些特征可以连接我们对超导和玻色-爱因斯坦凝聚的理解。

通讯作者Chris Vale教授解释说:“从这些实验中得到的基本发现可以帮助指导FLEET开发动态可切换材料，其中粒子可以在不耗散能量的情况下移动。”

克里斯·维尔(Chris Vale)在斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)领导FLEET的量子气体研究，他的实验室经常将原子气体冷却到接近绝对零度的温度。在这个温度范围内，通常只在微观水平上发现的量子行为在宏观水平上变得突出。

Chris是FLEET的100多名研究人员之一，他们都被一个巨大的挑战所激励:减少信息和通信技术(ICT)的能源使用，这已经占到全球用电量的至少8%，并且每十年就会翻一番。

FLEET (ARC未来低能电子技术卓越中心)将开发电流以最小阻力流动的系统，从而将浪费的能量耗散最小化，以及这种“无耗散”电流可以随意开关的设备。

这些设备将以超低能耗实现革命性的新电子和通信技术。