Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния
28.08.2020 5 339 0 +218 cemero4kaa

Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния

---
+218
В закладки
Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния температуры, Physical, Goold, состояние, Review, Letters, примеси, газом, Ферми, измерения, фермигаза, времени, разных, примесью, однородного, декогеренции, важно, временем, измерение, связи

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.

Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния температуры, Physical, Goold, состояние, Review, Letters, примеси, газом, Ферми, измерения, фермигаза, времени, разных, примесью, однородного, декогеренции, важно, временем, измерение, связи

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

Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния температуры, Physical, Goold, состояние, Review, Letters, примеси, газом, Ферми, измерения, фермигаза, времени, разных, примесью, однородного, декогеренции, важно, временем, измерение, связи

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).

Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния температуры, Physical, Goold, состояние, Review, Letters, примеси, газом, Ферми, измерения, фермигаза, времени, разных, примесью, однородного, декогеренции, важно, временем, измерение, связи

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

John Goold et al. / Physical Review Letters, 2020

Температуру ферми-газа научились измерять без разрушения состояния температуры, Physical, Goold, состояние, Review, Letters, примеси, газом, Ферми, измерения, фермигаза, времени, разных, примесью, однородного, декогеренции, важно, временем, измерение, связи

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
уникальные шаблоны и модули для dle
Комментарии (0)
Добавить комментарий
Прокомментировать
[related-news]
{related-news}
[/related-news]