【儀器網(wǎng) 時事聚焦】近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院江開軍研究團隊在超冷費米氣體非平衡動力學(xué)研究方面取得進展。該團隊實驗制備了球形幺正費米氣體，發(fā)現(xiàn)了體系在自由飛行過程中的動力學(xué)演化滿足標度不變性，并通過測量呼吸模式證明了體系具有SO(2,1)對稱性。
幺正費米氣體的s波散射長度趨近無窮大，為標度不變體系。當(dāng)這種氣體被裝載到一個各向同性的偶極勢阱時，體黏度和剪切黏度對體系自由膨脹過程的影響會消失，而體系展現(xiàn)出全方位的標度不變膨脹行為。同時，對勢阱中的體系而言，其哈密頓量滿足SO(2,1)李代數(shù)關(guān)系。這預(yù)示著體系擁有一些獨特的集體激發(fā)模式。研究球形幺正費米氣體的動力學(xué)行為對探討強關(guān)聯(lián)體系中的非平衡動力學(xué)演化較為重要，但在實驗上制備這樣的氣體卻頗有挑戰(zhàn)性。
該研究利用兩束橢圓激光來構(gòu)建各向同性的光偶極阱。研究通過三透鏡系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)對光阱的非球度進行調(diào)控，利用特定的梯度磁場來消除重力的影響。進一步，研究借助磁場Feshbach共振技術(shù)，調(diào)控原子間的相互作用強度，使體系進入幺正區(qū)域。在獲取6Li原子簡并費米氣體后，研究利用光阱轉(zhuǎn)移技術(shù)將費米氣體轉(zhuǎn)移到各向同性的光偶極阱中，并通過蒸發(fā)冷卻獲得超低溫的球形幺正費米氣體。
研究顯示，在自由膨脹實驗中，球形幺正費米氣體展現(xiàn)出獨特的標度不變性。這種性質(zhì)不依賴方向和溫度條件，亦是各向異性體系不具備的。測量發(fā)現(xiàn)，體系在不同溫度下的內(nèi)能和勢能相等，這驗證了幺正費米氣體的維里定理。研究觀察了體系的呼吸模式，發(fā)現(xiàn)了其振蕩頻率恰好為囚禁頻率的兩倍，且模式的衰減率低，這為體系具有SO(2,1)對稱性提供了實驗支持。研究測量了標度不變性被破壞時體系的自由膨脹行為，并在BEC-BCS渡越區(qū)間獲得了連接
化學(xué)勢與原子密度的有效指數(shù)。實驗結(jié)果與平均場理論計算定性一致。
該研究揭示了球形幺正費米氣體的標度不變性，并對具有SO(2,1)對稱性的三維超冷費米氣體開展了實驗研究，為研究具有共形不變性體系的非平衡動力學(xué)行為奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果被遴選為編輯推薦文章，以Scale Invariance of a Spherical Unitary Fermi Gas為題，發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院相關(guān)項目等的支持。
球形幺正費米氣體示意圖
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