Effetti della temperatura sugli anelli superfluidi

Abbiamo studiato come i cambiamenti di temperatura influenzano il comportamento di anelli superfluidi fatti di atomi fermionici ultracaldi. I superfluidi sono stati speciali della materia in cui i fluidi possono scorrere senza resistenza. Abbiamo guardato anelli sottili disposti in un formato piatto. Usando un metodo chiamato interferenza di onde di materia, abbiamo osservato i cambiamenti di Fase, che si riferisce alla natura ondulatoria di questi superfluidi.

I nostri risultati mostrano che man mano che il numero di atomi negli anelli aumentava, l'area su cui le fasi degli atomi rimanevano sincronizzate, chiamata Lunghezza di correlazione, diminuiva. Questo è in linea con quanto previsto dalle teorie esistenti. Abbiamo anche notato che quando la connessione tra gli anelli diventava più forte, la sincronizzazione complessiva, o Coerenza, migliorava. Quando cambiavamo il modo in cui impostavamo i confini degli anelli, le Fluttuazioni di fase diventavano più pronunciate. Queste osservazioni sono importanti, perché possono aiutare a informare i futuri progetti per utilizzare gas ultracaldi in sistemi complessi, specialmente quelli che richiedono un controllo preciso su come fluisce il superfluido.

La coerenza è una caratteristica chiave dei superfluidi e dei superconduttori. Gioca un ruolo vitale nel loro utilizzo in varie tecnologie, compresi i circuiti per la rilevazione e l'elaborazione delle informazioni. Tuttavia, le fluttuazioni di fase possono interrompere questa coerenza e compromettere la funzione, specialmente nei sistemi allungati. Anche quando le condizioni sono giuste, come basse temperature, un ordine locale può ancora esistere su brevi distanze, ma potrebbe non mantenersi su percorsi più lunghi se una o più dimensioni superano la lunghezza di correlazione. In questi casi, il sistema si comporta come se fosse solo parzialmente condensato. Questo rende difficile controllare i flussi di superfluido in modo efficace, specialmente poiché i cambiamenti nella struttura del sistema possono ulteriormente interrompere la coerenza. Al contrario, materiali come i superconduttori convenzionali mantengono la coerenza più facilmente, a differenza dei superconduttori a bassa Densità o dei gas ultracaldi.

In precedenza, esperimenti hanno esaminato come le fluttuazioni termiche di fase influenzano gas quantistici tridimensionali allungati usando condensati di Bose-Einstein (BEC). In questi esperimenti, gli scienziati hanno osservato variazioni nella densità del gas dopo che era espanso rapidamente da una trappola. I cambiamenti nella densità dipendevano da vari fattori, compresa la forma della trappola e il numero di atomi presenti. Tecniche come l'espansione balistica si sono rivelate utili per studiare le fluttuazioni di fase nei gas di Bose bidimensionali e comprendere i cambiamenti nella coerenza man mano che i sistemi passano da tre dimensioni a una dimensione. Altri studi hanno misurato correlazioni spaziali in modo più diretto attraverso metodi come l'interferometria di Bragg.

Il nostro esperimento è unico in quanto ha esaminato specificamente le fluttuazioni di fase in gas ultracaldi confinati in anelli con condizioni al contorno che potevamo regolare da chiuso a periodico. Lavori teorici precedenti hanno gettato le basi per comprendere come queste condizioni possono influenzare le fluttuazioni di fase. È stato suggerito che in certe circostanze, una bassa densità potrebbe portare a significative fluttuazioni.

Sebbene lavori precedenti abbiano misurato cambiamenti di fase in gas quantistici a forma di anello, quegli studi non hanno esplorato condizioni adatte per esaminare efficacemente il comportamento delle fluttuazioni di fase. Il nostro setup ci ha permesso di creare anelli molto stretti di atomi di litio fermionici, con densità selezionate abbastanza basse da raggiungere il regime di fluttuazione di fase. Le interazioni tra gli atomi nel superfluido erano forti, consentendo una chiara descrizione delle fluttuazioni di fase basata sulle teorie esistenti.

Abbiamo preparato gli atomi di litio in stati specifici e controllato accuratamente la temperatura e la densità mentre li raffreddavamo. Il nostro setup prevedeva l'uso di trappole ottiche create da fasci laser, permettendoci di modellare la densità del superfluido in anelli concentrici. Utilizzando un dispositivo specializzato, abbiamo generato modelli che contenevano le varie densità atomiche che volevamo studiare.

Dopo aver impostato gli anelli, abbiamo misurato le differenze di fase tra di essi utilizzando l'interferenza di onde di materia. Questo comportava il rilascio rapido degli atomi dal loro ambiente di trappola e l'osservazione di come le fasi interferissero mentre si espandevano. I modelli di interferenza hanno fornito spunti sulle fasi originali all'interno della trappola.

Per analizzare i modelli di interferenza, abbiamo applicato una tecnica di Fourier per estrarre accuratamente le differenze di fase. Abbiamo inizialmente identificato i punti centrali di simmetria all'interno dei modelli e migliorato la visibilità delle frange attraverso la rimozione di sfondo. Questo passaggio ci ha aiutato a recuperare le variazioni di fase in modo più affidabile.

L'output della nostra analisi ha mostrato una forte relazione tra il numero di atomi e il livello di fluttuazioni osservate. In particolare, abbiamo notato che numeri più bassi di coppie portavano a una maggiore variabilità nelle differenze di fase. Questa variabilità suggeriva che riducendo il numero di atomi, il sistema entrava in un regime di fluttuazione di fase, complicando la nostra capacità di mantenere un flusso superfluido costante.

Ulteriori osservazioni hanno rivelato che quando indebolivamo le connessioni tra gli anelli, la coerenza aumentava. Utilizzando simulazioni, abbiamo confermato che cambiare il collegamento tra gli anelli alterava significativamente le fluttuazioni di fase, rafforzando l'idea che il collegamento tra gli anelli gioca un ruolo chiave nel comportamento dei superfluidi.

Variazione attenta del numero di atomi e delle condizioni del nostro setup sperimentale ci ha mostrato tendenze che suggerivano una chiara relazione tra la coerenza del sistema e le fluttuazioni di fase. Con l'aumento della densità e del collegamento, il comportamento coerente negli anelli superfluidi migliorava anche.

Notably, abbiamo anche potuto stimare la temperatura del sistema analizzando il livello di fluttuazioni di fase presenti. Questo è stato un passo significativo, poiché determinare la temperatura è fondamentale per comprendere la dinamica dei superfluidi. I nostri esperimenti hanno indicato una stima della temperatura al di sotto della soglia critica per il comportamento superfluido, suggerendo che il nostro sistema era ben all'interno del range previsto.

In conclusione, il nostro studio ha fornito nuove intuizioni sulle fluttuazioni termiche di fase negli anelli superfluidi. Abbiamo dimostrato che variare condizioni come la densità degli atomi e il collegamento tra gli anelli influisce sulla coerenza e sul comportamento di fase. Più in generale, queste scoperte potrebbero informare future ricerche sulle proprietà dei gas quantistici ultracaldi, aprendo la strada a progressi nelle tecnologie che utilizzano sistemi superfluidi. Mentre perfezioniamo i nostri metodi ed espandiamo le nostre scoperte, non vediamo l'ora di esplorare ulteriormente la dinamica e i comportamenti di questi materiali affascinanti.