物理学家成功观察到原子费米超流体中的基布尔-祖雷克缩放

Josiah01 · 发表于 2024-8-22 13:55:18

基布尔-祖雷克（KZ）机制是物理学家汤姆·基布尔和沃伊切赫·祖雷克提出的理论框架。该框架主要描述系统经历非平衡相变时拓扑缺陷的形成。
首尔国立大学和韩国基础科学研究所的研究人员最近观察到了均匀且强相互作用的费米气体在转变为超流体时出现的 KZ 缩放现象。
他们的论文发表在《自然物理学》上，可以为进一步探索这一长期物理框架的实验工作铺平道路。
“超流体和超导性让物理学家着迷了近一个世纪，”论文合著者 Kyuhwan Lee 告诉 Phys.org。“它们是量子力学在大尺度上的美妙体现。
“粗略地说，当我们有许多相互作用的粒子，并且它们足够冷时，它们可以集体流动而没有任何阻力。一个自然而然的问题是，超流体是如何产生的，以及在从正常相（它们像大多数普通液体一样有阻力地流动）过渡到超流体相的过程中会发生什么？”
20 世纪 80 年代，祖雷克开始通过实验解决这个有趣的研究问题，并从基布尔最近的宇宙学框架中汲取灵感。祖雷克提出，探索物理系统相变到超流体的残余物将收集有关超流体起源的有趣见解。
“在我们的实验中，残余物是量子涡旋，一种具有量子角动量的旋涡流，”李说。“核心预测，现在也称为 KZ 缩放，是量子涡旋的数量应该与你通过超流体相变的速度呈幂律关系。
“相变速度越快，最终产生的量子涡旋就越多，因为超流体需要更少的时间来适应系统参数的外部变化。”
虽然 KZ 缩放适用于各种系统，包括超流体、铁电体、超导体、离子阱和里德堡原子阵列，但到目前为止，它主要在其中一些系统中被观察到。Lee 和他的同事进行这项研究的主要目的是观察费米超流体中的 KZ 缩放，到目前为止，这被证明是特别具有挑战性的。
“这里真正令人惊奇的是，我们观察到使用温度和相互作用强度作为两个不同的控制旋钮来预测的 KZ 缩放行为，”Lee 说。
研究人员使用的样品是6 Li原子云，冷却至极低温度（即几十纳开尔文）。他们的样品具有独特的结构，是使用空间光调制器 (SLM) 创建的。其结构由空间均匀的原子云组成，具有圆盘几何形状，直径约为 350 微米。
“为了观察 KZ 缩放行为，我们需要一个具有大面积的空间均匀样本，”Lee 解释道。“它必须是均匀的，因为我们希望超流体相变同时发生在整个样本中。
“如果存在不规则性，相变在不同位置发生的时间就会不同，这使得观测结果很难与理论预测相比较。我们还希望它很大，这样我们就可以观察到大量的量子涡旋，并避免有限尺寸效应。”
研究人员在设计实验时考虑的另一个重要因素是实验系统中相互作用的可调谐性。为了调节原子间相互作用，他们利用了云中6 个锂原子之间所谓的磁性费什巴赫共振。
“这为我们提供了另一种工具来研究超流体相变动力学，而不仅仅是使用温度作为控制旋钮，”Lee 说。“有了这些令人兴奋的工具，我们以不同的速度抑制了超流体相变过程中的温度或相互作用强度。”
无论他们是否改变系统的温度或原子间相互作用的强度，Lee 和他的同事都在他们的样品中观察到了相同（即普遍的）KZ 标度行为，范围非常广。因此，他们的研究成功观察到了超流体中的 KZ 标度，而这在之前是难以实现的。
李说：“在液态4He（超流体系统的另一个代表性例子）中，相变动力学的典型时间尺度根本无法通过传统的机械压力淬火实现。”
“在液态3 He 中，存在量子涡旋产生的特征，这是由快速核反应实现的。然而，许多未知因素使得与 KZ 标度的直接比较变得困难。
“在超冷原子气体中，验证量子涡旋的自发产生和揭示静态和动态缩放特性是一项重要的工作，但典型的样本配置使得捕捉 KZ 缩放行为变得困难。”
该研究团队最近的研究成果对超流体中 KZ 标度的研究做出了重大贡献。其最显著的成果是，无论团队是在操纵样品中的温度还是相互作用，都观察到了相同的标度行为。
“如今，普适性的概念甚至在本科统计力学课程中也有讲授，它让我们能够以非常‘经济’的方式理解令人难以置信的复杂系统，”李说。“我们能够在如此复杂的相变动力学中找出一个共同特征，这真是令人惊叹。”
在接下来的研究中，Lee 和他的同事计划进一步研究他们在实验中观察到的行为，这些行为可能无法简单地用 KZ 机制来解释。他们未来的努力可能会带来更多有价值的观察结果，进一步增强对费米超流体中非平衡相变动力学的理解。
“对于快速淬火，我们观察到温度和相互作用淬火都与 KZ 缩放行为存在偏差，”Lee 解释道。“解释这一现象的一个可能场景是所谓的早期粗化。
“简而言之，早期粗化表明初始（或早期）超流体生长动力学抑制了快速淬火的量子涡旋的形成。使用干涉法测量相位相干性，现在研究粗化动力学如何融入其中将会很有趣。”

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