Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния ( 5 фото )

John Goold et al. / Physical Review Letters, 2020

Физики разработали новый способ измерения температуры ферми-газа, который вносит минимальные изменения в систему и позволяет наблюдать за ней in situ. Для этого они помещали в газ примесь-зонд и следили за тем, как изменяется ее состояние со временем. Кроме того, использование неравновесной динамики делает измерения быстрым и с высокой точностью. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Температурa ферми-газа характеризует его качество: при абсолютном нуле получается получается вырожденный газ, в котором заполнены все уровни энергии ниже уровня Ферми. При ненулевой температуре распределение электронов по уровням меняется: небольшая доля электронов, которые располагались близко к уровню Ферми, переходят на более высокие энергетические уровни. В реальных экспериментах важно знать энергетическую структуру газа, для чего и требуется точное измерение температуры.

Методы, который используются в настоящее время — измерение времени разлета локализованного газа или спектра его поглощения — оказываются деструктивными и их сложно применять для однородных ферми-газов. Альтернативный способ оценки температуры состоит в использовании примеси, которая со временем приходит в тепловое равновесие с газом. Средняя энергия сбалансированного состояния в комбинации с информацией о примеси дает начальное значение температуры газа. Тем не менее, установления температурного равновесия таким способом требует много времени.


Схематичное изображение системы. (а) Взаимодействие холодного Ферми-газа (голубой) с локализованной примесью (серый), находящейся в двух состояниях. (b) Действие примеси на начальное равновесное состояние газа. (c) Распространение возмущений вглубь моря Ферми

John Goold et al. / Physical Review Letters, 2020


Функция декогеренции и спектр поглощения (внутри) для однородного газа при разных константах связи между газом и примесью: -0,5 для синих графиков, -1,5 для красных и -6 для зеленых. Точечный график — для нулевой температуры, сплошной — 0,01 температуры Ферми, штрихованный — 0,1 температуры Ферми.

John Goold et al. / Physical Review Letters, 2020

Группа физиков из Тринити-колледжа в Дублине под руководством Джона Гулда (John Goold) предложила использовать неравновесное состояние газ-примесь для получения информации о температуре газа. Для этого они следили за тем, как изменяется состояние примеси-зонда внутри вырожденного ферми-газа. Из-за взаимодействия примеси с окружающей средой начальное состояние зонда со временем разрушалось.

Квантовая механика описывает такое изменение состояния во времени (функция декогеренции) и дает представление о том, как оно связано с температурой. С другой стороны, наличие квантовых эффектов делает этот процесс случайным, то есть каждое измерение будет давать разный результат. Поэтому важно понять, какой разброс будут иметь измеренные величины и сколько потребуется повторений для того, чтобы получить хорошую точность.

В работе физики также исследовали зависимость чувствительности метода от силы связи между примесью и газом. Оказалось, что чем слабее примесь взаимодействует с газом, тем меньше измерений нужно провести для точной оценки температуры. Помимо этого они рассчитали, сколько потребуется времени для того, чтобы получить хорошее отношение сигнала к шуму при разных температурах газа.

Результаты моделирования показали, что разработанный метод измерения температуры реализуем на практике. При значениях температуры газа порядка 0,1 температуры Ферми ошибка измерения составляет всего десять процентов, а время ограничено миллисекундами (для сравнения, время жизни ферми-газа может превышать несколько секунд).


Распределение отношения сигнал-шум в зависимости от температуры и времени эволюции системы.

John Goold et al. / Physical Review Letters, 2020


Сравнение функций декогеренции для однородного и одномерного газа. Черные и синие графики — для однородного, красные и лиловые — локализованного при разных константах связи и температурах.

John Goold et al. / Physical Review Letters, 2020

Применение предложенного метода не ограничивается только однородными ферми-газами — авторы рассчитали параметры экспериментов и для локализованных вдоль прямой газов и показали, что разрушение состояние примеси в обоих случаях схожи.

Для применения ультрахолодных газов важно следить не только за температурой, но и за их пространственными характеристиками. Так, канадские физики исследовали структуру фермионного облака и получили его срез с высоким разрешением.

Оксана Борзенкова