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探索二维费米气体的性质

当一个新的物理系统被创建或发现时,研究人员通常会深入研究它,以揭示其独特的性质和特征。例如,他们可能试图确定系统受到干扰时的反应,以及干扰通常以何种方式通过系统传播。

要用更简单的术语来解释这一点,研究人员可以研究不同的液体(如水、油或蜂蜜)在被扔进石头时的反应。在这种情况下,扔石头通常会导致波浪的形成,然后波浪会以不同的速度减弱,这取决于所讨论的流体的粘度。

气体中的密度激发也有类似的情况。这些本质上是密度的增加,通过气体以声波的形式传播。

德国汉堡大学和海德堡大学的研究人员最近进行了一项旨在揭示二维费米气体的热力学和输运特性的研究,该研究通过检测声波是如何在其中传播和减弱的。他们发表在《物理评论快报》上的论文表明,他们创建和检验的系统是一个近乎完美的模型系统,用于研究在简化维度中强相关性的物理。

“我们的实验是世界上制造和研究超冷的二维费米气体的为数不多的实验之一,”马库斯·博伦(Markus Bohlen)对Phys.org表示。这些系统是迷人的:强烈的相互作用和降低的维度导致迷人的现象,但也使理论方法复杂化。在这里,量子气体实验提供了有价值的见解,并使研究这些系统在一个清洁和控制的环境。”

波伦解释说:“声波是密度、温度、压力以及其他热力学变量的振荡。”“这些变量不是独立的,而是通过所谓的状态方程相互联系。状态方程决定了系统的热力学行为,例如,气体在被压缩时密度和温度是多少?

在他们的研究中,Bohlen和他的同事从在费米气体中传播的声波的速度中提取了二维费米气体的可压缩性方程。物理理论认为,波在一个系统内传播得越快,这个系统就必定越坚硬。,则压缩系数必须越低)。

“一个被激发出平衡状态的系统最终会放松回到它的平衡状态,”Bohlen说。在强相互作用的气体中,弛豫速率由气体的粘度和热传导性决定。这些所谓的输运系数描述了通过介质平衡速度或温度的差异有多快。通过测量气体中声音的阻尼率,我们可以推断出这些传输系数的信息。”

研究人员所收集的数据导致了许多有趣的观察结果。首先,Bohlen和他的同事观察到,在二维费米气体中,在原子相互作用更强的区域,声波衰减最小。这些发现似乎是违反直觉的,因为人们可能认为粒子之间的碰撞会减少波的运动。相反,这只发生在碰撞相对较少的情况下。

然而,如果粒子之间的相互作用非常强烈,就像研究人员的实验一样,情况就会彻底改变。这是因为粒子之间频繁的碰撞实际上阻止了能量的分散,因此抑制了而不是增加了能量的耗散。

“在我们关注的区域,输运系数趋向于一个由量子力学决定的极限,这已经在量子场论的背景下被推测,并且观察到在不同系统中的不同输运系数,”Bohlen说。“我们可以确认,在二维费米气体中声音扩散的情况下,这个极限是符合的。”

这些发现揭示了声波是如何在超冷的二维费米气体中传播和下沉的,从而揭示了它的一些热力学和输运特性。在未来,他们论文中检测到的气体可以用来检验与费米气体强相互作用有关的物理理论和模型的有效性。与此同时,Bohlen和他的同事们计划对他们在最近的论文中研究过的相同的二维费米气体中超流体进行新的研究。

“超流体(和超导性)与所谓的长程序的存在密切相关,”Bohlen解释道。在二维几何中,这种长程顺序是被禁止的,但似乎对于所有在高温下表现出超导性的材料来说,二维结构起着至关重要的作用。我们最近证明了我们的二维系统确实是超流体,而且我们想阐明维数在超流健壮性中的作用。”

?2020科学X网络

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