麻省理工大學(xué)-哈佛大學(xué)超冷原子研究中心的一組研究人員開發(fā)了一種方法來研究和測(cè)量由于溫度變化而在量子態(tài)和經(jīng)典態(tài)之間轉(zhuǎn)換的氣體。

在發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)期刊上的論文中，該小組描述了他們用鋰-6原子云進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以及發(fā)現(xiàn)。玻爾茲曼氣體是由體積可以忽略的粒子和完全彈性碰撞組成，玻爾茲曼動(dòng)力學(xué)理論很自然地描述了這些粒子。在這樣的氣體中，粒子以隨機(jī)的方式運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)常發(fā)生碰撞。

博科園-科學(xué)科普：先前的研究表明，如果玻爾茲曼氣體被充分冷卻，它將經(jīng)歷一場(chǎng)劇烈的轉(zhuǎn)變，以至于只能用量子術(shù)語來描述。此外，如果組成氣體的粒子是費(fèi)米子，結(jié)果可以用費(fèi)米液體理論來描述。值得注意的是，這個(gè)過程可以朝任何一個(gè)方向發(fā)展。在這項(xiàng)新研究中，研究人員開發(fā)了一種方法來監(jiān)測(cè)和測(cè)量氣體在量子態(tài)和經(jīng)典態(tài)之間轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生的變化。為了研究這種轉(zhuǎn)變，研究人員使用準(zhǔn)粒子作為一種測(cè)量費(fèi)米氣體性質(zhì)的方法——更具體地說，用一種被稱為“激光盒”的東西制造了一團(tuán)鋰-6原子云。

然后將盒子和盒子里的東西冷卻下來，并利用射射光譜技術(shù)監(jiān)控盒子里發(fā)生了什么。然后能夠利用被翻轉(zhuǎn)的原子數(shù)來測(cè)量光子能量，再計(jì)算氣體的激發(fā)態(tài)。這使得他們能夠計(jì)算準(zhǔn)粒子的能量和衰變率。該小組還進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量不同溫度下的準(zhǔn)粒子，這使他們能夠看到氣體過渡時(shí)實(shí)際發(fā)生了什么。隨著溫度的升高，峰值頻譜會(huì)損失能量，變得更寬。最終，準(zhǔn)粒子失去了它們的特性，在這一點(diǎn)上，費(fèi)米理論開始展開。就在費(fèi)米理論適用的點(diǎn)以下，光譜峰值的能量發(fā)生了急劇變化，最終降為零。

該研究研究了具有有限相互作用的高度自旋不平衡均勻費(fèi)米氣體熱演化，從極化子的費(fèi)米液體到經(jīng)典高溫玻爾茲曼氣體。利用射頻光譜技術(shù)可以獲得低溫下費(fèi)米極化子的能量、壽命和短程相關(guān)性。在這種情況下，觀察到光譜寬度與T2的特征關(guān)系，與費(fèi)米液體的準(zhǔn)粒子衰變速率相對(duì)應(yīng)。在高T時(shí)，譜寬再次向經(jīng)典幺正玻爾茲曼氣體(- T - 1/2)的散射速率下降。在量子簡(jiǎn)并態(tài)和經(jīng)典態(tài)之間的過渡區(qū)，譜寬在費(fèi)米能級(jí)的尺度上達(dá)到最大值，表明準(zhǔn)粒子描述的破裂。在諧波阱中，密度測(cè)量直接揭示了少數(shù)自旋周圍的多數(shù)修飾云，并隨費(fèi)米極化子的有效質(zhì)量產(chǎn)生壓縮系數(shù)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: Copyright?Science X Network/Bob Yirka, Phys

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.093401

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