Sonder les propriétés d’un gaz fermi 2-D

Lorsqu’un nouveau système physique est créé ou découvert, les chercheurs l’étudient généralement en profondeur pour dévoiler ses propriétés et caractéristiques distinctives. Par exemple, ils pourraient essayer de déterminer comment le système réagit lorsqu’il est perturbé et de quelle manière cette perturbation se propage généralement à travers elle.

Pour expliquer cela en termes plus simples, un chercheur pourrait étudier comment différents fluides (par exemple, l’eau, l’huile ou le miel) réagissent lorsqu’une pierre y est jetée. Dans ces cas, le lancement d’une pierre conduirait généralement à la formation d’ondes, qui seraient ensuite amorties à des vitesses / vitesses variables, en fonction de la viscosité du fluide en question.

Un cas similaire est celui des excitations de densité dans les gaz. Ce sont essentiellement des augmentations de densité qui se propagent à travers un gaz sous forme d’ondes sonores.

Des chercheurs de l’Université de Hambourg et de l’Université de Heidelberg en Allemagne ont récemment mené une étude visant à découvrir les propriétés thermodynamiques et de transport d’un gaz Fermi 2-D en examinant comment les ondes sonores se propagent et s’atténuent en lui. Leur article, publié dans Lettres d’examen physique, montre que le système qu’ils ont créé et examiné est un système modèle presque parfait pour étudier la physique de fortes corrélations dans des dimensions réduites.

« Notre expérience est parmi les rares au monde dans lesquelles des gaz Fermi ultra-froids 2-D sont produits et étudiés », a déclaré Mark Physus Bohlen, l’un des chercheurs qui a réalisé l’étude. « Ces systèmes sont captivants: l’interaction d’interactions fortes et de dimensionnalité réduite conduit à des phénomènes fascinants, mais complique également les approches théoriques. Ici, les expériences de gaz quantiques fournissent des informations précieuses et permettent d’étudier ces systèmes dans un environnement propre et contrôlé. »

Dans leurs expériences, Bohlen et ses collègues ont entrepris de mesurer la vitesse du son et l’atténuation du son dans un gaz Fermi ultra-froid 2-D, car cela leur permettrait à son tour de sonder ses propriétés d’excitation. Pour ce faire, ils se sont spécifiquement concentrés sur la propagation et l’amortissement des ondes sonores dans le gaz.

« Les ondes sonores sont des oscillations de densité, de température, de pression, ainsi que d’autres variables thermodynamiques », a expliqué Bohlen. « Ces variables ne sont pas indépendantes, mais plutôt liées les unes aux autres via une soi-disant équation d’état. L’équation d’état détermine le comportement thermodynamique du système, par exemple, combien plus dense ou plus chaud un gaz obtient-il lorsqu’il est comprimé? « 

Dans leur étude, Bohlen et ses collègues ont extrait l’équation d’état de compressibilité du gaz Fermi 2-D de la vitesse des ondes sonores se propageant à l’intérieur. La théorie de la physique suggère que plus les ondes se déplacent rapidement à l’intérieur d’un système, plus le système doit être rigide (c.-à-d. Que sa compressibilité doit être faible).

« Un système qui est excité hors d’équilibre finira par se détendre à son état d’équilibre », a déclaré Bohlen. « Dans un gaz qui interagit fortement, le taux de relaxation est déterminé par la viscosité du gaz et la conductivité thermique. Ces soi-disant coefficients de transport décrivent la vitesse à laquelle les différences de vitesse ou de température sont équilibrées à travers le milieu. En mesurant le taux d’amortissement de son dans notre gaz, nous pouvons donc déduire des informations sur ces coefficients de transport. « 

Les mesures recueillies par les chercheurs ont conduit à un certain nombre d’observations intéressantes. D’abord, Bohlen et ses collègues ont observé que dans le gaz Fermi 2-D, les ondes sonores étaient le moins atténuées au régime dans lequel les atomes interagissaient plus fortement. Ces résultats peuvent sembler contre-intuitifs, car on pourrait s’attendre à ce que les collisions entre particules réduisent le mouvement des vagues. Au contraire, cela ne se produit que dans les cas où il y a relativement peu de collisions.

Cependant, si les interactions entre les particules sont très fortes, comme dans l’expérience des chercheurs, la situation change radicalement. En effet, les collisions fréquentes entre les particules empêchent en fait la dispersion de l’énergie et inhibent ainsi la dissipation plutôt que de l’augmenter.

« Dans le régime sur lequel nous nous sommes concentrés, les coefficients de transport tendent vers une limite déterminée par la mécanique quantique, qui a été conjecturée dans le contexte des théories quantiques des champs et observée pour différents coefficients de transport dans divers systèmes », a déclaré Bohlen. « Nous pourrions confirmer que cette limite est respectée dans le cas de la diffusion du son dans les gaz fermi 2D. »

Ces découvertes éclairent la façon dont les ondes sonores se propagent et disparaissent à l’intérieur d’un gaz Fermi ultra-froid 2-D, dévoilant ainsi certaines de ses propriétés thermodynamiques et de transport. À l’avenir, le gaz examiné dans leur article pourrait être utilisé pour tester la validité des théories et des modèles de physique liés aux gaz de Fermi qui interagissent fortement. Pendant ce temps, Bohlen et ses collègues prévoient de mener de nouvelles études sur la superfluidité dans le même gaz Fermi 2-D examiné dans leur récent article.

« La superfluidité (et la supraconductivité) est étroitement liée à l’existence d’un soi-disant ordre à longue portée », a expliqué Bohlen. « Dans les géométries 2D, un tel ordre à longue portée est interdit, mais il semble que pour tous les matériaux montrant la supraconductivité à des températures élevées, les structures 2D jouent un rôle crucial. Nous avons récemment montré que notre système 2D est, en effet, , un superfluide, et nous voudrions mettre en lumière le rôle de la dimensionnalité pour la robustesse de la superfluidité.  »

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