Фізики почули загасання звукових хвиль у фермі-газі

Фізики експериментально виміряли величину і температурну залежність коефіцієнта дифузії - параметра, що характеризує швидкість загасання звукових хвиль у середовищі, для низькотемпеолог ного фермі-газу. Дані вимірювань у майбутньому допоможуть у дослідженнях інших різновидів такого стану речовини - наприклад, ядерної або нейтронної матерії всередині компактних зірок. Стаття опублікована в журналі.

Під звуком прийнято розуміти хвилі механічних коливань, які поширюються в будь-якому середовищі - так, звичний для нас чутний звук являє собою обурення щільності повітря з частотою від десятків герц до десятків кілогерц (тобто коливань в секунду). При вільному поширенні звукові хвилі поступово загасають - це пов'язано з тим, що в кожен момент часу частинки, які знаходяться в ущільненій області середовища (тобто в оточенні великої кількості сусідів), в середньому прагнуть покинути їх і дифундирувати (мимовільно проникнути) в більш розріджені ділянки. Завдяки такому процесу розкид щільності в просторі - іншими словами, амплітуда хвилі, - поступово зменшується.

Швидкість цього загасання характеризує коефіцієнт дифузії - величина, яка визначає відношення потоку частинок між двома невеликими близькими областями середовища до різності концентрації частинок в цих областях. З одного боку, значення цього коефіцієнта визначається властивостями речовини на мікрорівні, а з іншого - його зручно вимірювати в експерименті. Це полегшує дослідження екзотичних станів речовини - щоб підтверджувати або спростовувати теоретичні моделі, які описують колективну поведінку частинок середовища, достатньо спостерігати за тим, як загасають в такому середовищі звукові хвилі.

Фізики з США і Франції під керівництвом Парта Пателя (Parth Patel) з Массачусетського Технологічного Інституту вивчили загасання звукових хвиль в одному з типів екзотичних середовищ - фермі-газі, тобто системі з великого числа непорушних тотожних ферміонів - частинок, властивості яких забороняють їм перебувати в абсолютно однакових квантових станах.

Макроскопічним природним прикладом фермі-газу вважається речовина в компактних і щільних небесних тілах - електрони в білих карликах і нейтрони в нейтронних зірках. Розуміння пристрою цих об'єктів важливе для астрофізичних моделей, а дослідити внутрішності зірок безпосередньо сьогодні неможливо - зокрема, тому стає необхідним вивчення властивостей фермі-газу в умовах лабораторії.

Як фермі-газ автори використовували близько двох мільйонів атомів стабільного ізотопу літію (⁶Li), які уклали в циліндричну оптичну пастку діаметром в 120 і довжиною в 100 мікрометрів, складену з трьох лазерних пучків - поздовжнього, який задавав форму області, і двох поперечних променів-стінок.

Зразок вчені охолоджували до температур в десятки-сотні нанокельвін, щоб він став проявляти квантові властивості - цій області температур наближено відповідає енергія Фермі - енергетичний рівень, ймовірність зайняти який для частинки дорівнює 50 відсоткам. Потім фізики починали синусоїдально (плавно і періодично) змінювати інтенсивність одного з променів-стінок з регульованою частотою в діапазоні близько сотень герц - завдяки цьому у фермі-газі виникали звукові хвилі, які загасали при русі між стінками циліндра.

На частотах, при яких у повну довжину циліндра укладалося ціле число довжин звукових хвиль, дослідники реєстрували резонансне збільшення амплітуди - відбиваючись, хвиля накладалася сама на себе і посилювалася. Однак за рахунок загасань на високих частотах це посилення було менш вираженим, а розкид частоти, поблизу якого спостерігалося зростання амплітуди - більш широким (почути, як змінюється інтенсивність хвилі з частотою, можна на записі нижче). Описавши цей ефект за допомогою теоретичної моделі, що включає коефіцієнт дифузії, вчені відтворювали значення останнього, яке найкращим чином узгоджувало прогнозовані і спостережувані дані.

В результаті фізикам вдалося виміряти коефіцієнт дифузії фермі-газу і простежити його температурну залежність - відповідно до теоретичних прогнозів, при низьких температурах ця величина наближалася до граничного значення, яке приблизно дорівнює відношенню редуційованої постійної Планка до маси однієї фермі-частинки. Зі зростанням температури коефіцієнт збільшувався, залишаючись в межах того ж порядку, і з наближенням до температури Фермі (тобто енергії Фермі в температурних одиницях) залежність плавно переходила в уже відомий високотемпceний режим (пропорційність T^3/2).

Автори відзначають, що завдяки масштабній інваріантності властивостей фермі-газу - тобто їх незмінності при одночасній зміні значень характерних величин - результати, які отримані для ансамблю атомів літію, неважко узагальнювати і на інші колективи ферміонів - наприклад, ядерну або нейтронну матерію, дослідження яких потрібно для цілей астрофізики.

Раніше ми розповідали про те, як фізики навчилися вимірювати температуру фермі-газу без руйнування стану і знайшли спосіб нав'язати фермійну поведінку бозонам.