Physiker beobachten erfolgreich Kibble-Zurek-Skalierung in einer atomaren Fermi-Supraflüssigkeit

Der Kibble-Zurek-Mechanismus (KZ) ist ein theoretischer Rahmen, der von den Physikern Tom Kibble und Wojciech Zurek eingeführt wurde. Dieser Rahmen beschreibt im Wesentlichen die Bildung topologischer Defekte, während Systeme Phasenübergänge im Nichtgleichgewicht durchlaufen.

Forscher der Seoul National University und des Institute for Basic Science in Korea beobachteten kürzlich eine KZ-Skalierung in einem homogenen und stark wechselwirkenden Fermigas, während dieses in eine Supraflüssigkeit überging.

Ihr Papier, veröffentlicht In Naturphysikkönnte den Weg für weitere experimentelle Bemühungen ebnen, diesen seit langem bestehenden physikalischen Rahmen zu untersuchen.

„Suprafluidität und Supraleitung faszinieren Physiker seit fast einem Jahrhundert“, sagte Kyuhwan Lee, Co-Autor der Studie, gegenüber Phys.org. „Sie sind wunderschöne Manifestationen der Quantenmechanik im großen Maßstab.“

„Grob gesagt: Wenn viele Teilchen miteinander interagieren und kalt genug sind, können sie gemeinsam ohne Widerstand fließen. Daraus ergibt sich natürlich die Frage, wie Supraflüssigkeiten entstehen und was beim Übergang von einer normalen Phase (in der sie wie die meisten gewöhnlichen Flüssigkeiten mit Widerstand fließen) zu einer supraflüssigen Phase passiert?“

In den 1980er Jahren begann Zurek, diese interessante Forschungsfrage experimentell anzugehen, wobei er sich von Kibbles jüngsten kosmologischen Ansätzen inspirieren ließ. Zurek schlug vor, dass die Untersuchung der Überreste des Phasenübergangs eines physikalischen Systems in eine Supraflüssigkeit interessante Erkenntnisse über die Entstehung von Supraflüssigkeiten liefern würde.

„Im Rahmen unseres Experiments sind die Überreste Quantenwirbel, eine Wirbelströmung mit quantisiertem Drehimpuls“, sagte Lee. „Die zentrale Vorhersage, die jetzt auch als KZ-Skalierung bekannt ist, ist, dass die Anzahl der Quantenwirbel wie ein Potenzgesetz skalieren sollte, je nachdem, wie schnell man den supraflüssigen Phasenübergang durchläuft.“

„Je schneller man den Phasenübergang durchläuft, desto mehr Quantenwirbel entstehen, da die Supraflüssigkeit weniger Zeit braucht, um sich an die äußeren Veränderungen der Systemparameter anzupassen.“

Obwohl die KZ-Skalierung auf eine Vielzahl von Systemen anwendbar ist, darunter Supraflüssigkeiten, Ferroelektrika, Supraleiter, Ionenfallen und Rydberg-Atom-Arrays, wurde sie bisher hauptsächlich in einigen dieser Systeme beobachtet. Das Hauptziel der Studie von Lee und seinen Kollegen war die Beobachtung der KZ-Skalierung in einer Fermi-Supraflüssigkeit, was sich bisher als besonders schwierig erwiesen hat.

„Der eigentliche Clou dabei ist, dass wir das vorhergesagte KZ-Skalierungsverhalten beobachtet haben, indem wir sowohl Temperatur als auch Interaktionsstärke als zwei unterschiedliche Steuerknöpfe verwendet haben“, sagte Lee.

Die von den Forschern verwendete Probe war eine Atomwolke aus 6Li, die auf extrem niedrige Temperaturen (einige zehn Nanokelvin) abgekühlt wurde. Ihre Probe hatte eine einzigartige Konfiguration, die sie mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) erzeugten. Ihre Konfiguration bestand aus einer räumlich gleichmäßigen Atomwolke mit einer Scheibengeometrie und einem Durchmesser von etwa 350 µm.

„Um das KZ-Skalierungsverhalten zu beobachten, brauchten wir eine räumlich einheitliche Probe mit großer Fläche“, erklärte Lee. „Sie musste einheitlich sein, weil wir wollten, dass der suprafluide Phasenübergang in der gesamten Probe gleichzeitig stattfindet.“

„Wenn es Unregelmäßigkeiten gibt, treten Phasenübergänge an verschiedenen Orten zu unterschiedlichen Zeiten auf, was den Vergleich der Beobachtungen mit theoretischen Vorhersagen erschwert. Außerdem wollten wir ein großes Gerät, damit wir viele Quantenwirbel beobachten und Effekte endlicher Größe vermeiden können.“

Ein weiterer wichtiger Faktor, den die Forscher bei der Konzeption ihres Experiments berücksichtigten, war die Abstimmbarkeit der Wechselwirkungen in ihrem Versuchssystem. Um interatomare Wechselwirkungen abzustimmen, nutzten sie die sogenannte magnetische Feshbach-Resonanz zwischen 6Li-Atomen in ihrer Wolke.

„Dadurch verfügen wir nun über ein weiteres Werkzeug, um die Dynamik des suprafluiden Phasenübergangs zu untersuchen, anstatt nur die Temperatur als Kontrollknopf zu verwenden“, sagte Lee. „Mit diesen spannenden Werkzeugen ausgestattet, konnten wir entweder die Temperatur oder die Wechselwirkungsstärke über den suprafluiden Phasenübergang hinweg mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verringern.“

Unabhängig davon, ob sie die Temperatur ihres Systems oder die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Atomen veränderten, beobachteten Lee und seine Kollegen in ihrer Probe über einen weiten Dynamikbereich hinweg ein identisches (d. h. universelles) KZ-Skalierungsverhalten. Ihre Studie führte somit zur erfolgreichen Beobachtung der KZ-Skalierung in einer Supraflüssigkeit, die zuvor nicht fassbar war.

„In flüssigem 4He, einem weiteren repräsentativen Beispiel eines supraflüssigen Systems, war die typische Zeitskala der Phasenübergangsdynamik mit herkömmlichen mechanischen Druckabschreckungen einfach unerreichbar“, sagte Lee.

„In flüssigem 3He gab es Anzeichen für die Entstehung von Quantenwirbeln, die durch schnelle Kernreaktionen ermöglicht wurden. Viele unbekannte Faktoren erschwerten jedoch einen direkten Vergleich mit der KZ-Skalierung.

„Bei ultrakalten Atomgasen gibt es wichtige Arbeiten zur Verifizierung der spontanen Entstehung von Quantenwirbeln und zur Aufdeckung der statischen und dynamischen Skalierungseigenschaften, aber die typische Probenkonfiguration machte es schwierig, das KZ-Skalierungsverhalten zu erfassen.“

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams ist ein bedeutender Beitrag zur Erforschung der KZ-Skalierung in Supraflüssigkeiten. Die bemerkenswerteste Leistung war die Beobachtung eines identischen Skalierungsverhaltens, unabhängig davon, ob das Team die Temperatur oder die Wechselwirkungen in seiner Probe manipulierte.

„Das Konzept der Universalität, das heutzutage sogar in Grundkursen zur statistischen Mechanik gelehrt wird, ermöglicht es uns, unglaublich komplexe Systeme auf eine sehr ‚ökonomische‘ Weise zu verstehen“, sagte Lee. „Es ist wirklich erstaunlich, dass wir ein gemeinsames Merkmal in einer so komplexen Phasenübergangsdynamik herausfinden konnten.“

In ihren nächsten Studien wollen Lee und seine Kollegen das Verhalten, das sie während ihrer Experimente beobachtet haben und das sich möglicherweise nicht einfach durch den KZ-Mechanismus erklären lässt, genauer untersuchen. Ihre zukünftigen Bemühungen könnten zu weiteren wertvollen Beobachtungen führen und das Verständnis der Dynamik von Phasenübergängen im Nichtgleichgewicht in Fermi-Supraflüssigkeiten weiter verbessern.

„Bei schnellen Löschungen haben wir eine Abweichung vom KZ-Skalierungsverhalten sowohl bei Temperatur- als auch bei Interaktionslöschungen beobachtet“, erklärte Lee. „Ein mögliches Szenario zur Erklärung hierfür ist die sogenannte frühzeitige Vergröberung.“

„Einfach ausgedrückt lässt die frühe Vergröberung darauf schließen, dass die anfängliche (oder frühe) Wachstumsdynamik der Supraflüssigkeit die Bildung von Quantenwirbeln bei schnellen Löschungen unterdrückt. Mithilfe von Interferometriemethoden zur Messung der Phasenkohärenz wäre es nun interessant zu untersuchen, wie die Vergröberungsdynamik in das Bild passt.“

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