Экспериментальное исследование ультрахолодного газа ферми-атомов

• Автор: Турлапов, Андрей Вадимович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 292 с. : ил.

Аннотация
Общие свойства ферми-систем исследованы в экспериментах с ферми-газом атомов лития-6 и образованным из него бозе-газом молекул 1^2. Для достижения вырождения газы приготавливались при температурах от десятков нано- до нескольких микрокельвинов. Результаты экспериментов позволили проверить фундаментальные модели, в том числе, применимые к другим ферми-системам — ядерной материи, высокотемпературным сверхпроводникам, кварк-глюонной плазме. Такие проверки актуальны ввиду сложности квантовых задач многих тел, особенно в режиме сильного взаимодействия, и противоречивости современных теоретических результатов.
Впервые при конечных температурах проверена гипотеза об универсальности системы с резонансно сильными взаимодействиями. Гипотеза позволяет выразить термодинамические константы, в частности температуру перехода к сверхтекучести, через плотность и универсальные безразмерные постоянные, которые не зависят от природы частиц, составляющих систему. Кроме атомного газа, в универсальном режиме может находиться нейтронная материя в нейтронных звёздах.

Для сильновзаимодействующего ферми-газа атомов впервые:

-получено непротиворечивое свидетельство сверхтекучести; -измерена температура и энергия перехода к сверхтекучести, причём, двумя различными способами;

- измерена зависимость энергии от температуры;

- измерена вязкость.

Зависимость энергии от температуры близка к модели, которая изначально сформулирована для высокотемпературных сверхпроводников. С помощью данных о вязкости проверено предсказание теории струн о нижнем пределе отношения вязкости к энтропии.

Распространение звука впервые наблюдалось в ферми-газе атомов и его производной — бозе-эйнштейновском конденсате молекул. На основе прецизионных измерений скорости звука предсказания об уравнении состояния ферми-систем проверены в широком диапазоне значений константы связи, плавная перестройка которой переводит из режима слабого межча-стичного притяжения, подчиняющегося теории Бардина-Купера-Шрифера, через область сильных взаимодействий в режим бозе-эйнштейновской конденсации компактных пар фермионов, роль которых в эксперименте выполняли двухатомные молекулы.
Впервые приготовлен двумерный ферми-газ атомов, открывающий путь экспериментальной реализации широкого круга задач: обнаружению неоднородной сверхтекучести Фульде-Ферела-Ларкина-Овчинникова, наблюдению новых типов фазовых переходов, созданию бездефектной модели высокотемпературного сверхпроводника с управляемой извне константой связи. Последнее позволит проверить двумерные теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Разработана серия новых экспериментальных методов, благодаря которым выполнены описанные в диссертации наблюдения.
Впервые в России создана экспериментальная установка для приготовления квантово вырожденного газа атомов и молекул, как в режиме ферми-евского вырождения, так и бозе-эйнштейновской конденсации. Достигнуты наименьшие в стране температуры.

1 Введение
1.1 Причины интереса к атомным ферми-газам
1.2 Вклад физики атомных ферми-газов в фундаментальную физику
1.2.1 Резонансная сверхтекучесть
1.2.2 Мост между статистикой Ферми-Дирака и БозеЭйнштейна
1.2.3 Стабильность и основное состояние сильновзаимодействующей ферми-материи
1.3 Уникальные свойства, достоинства и недостатки атомных газов
1.4 Перспективы
1.4.1 Неоднородная сверхтекучесть, фермион Майораны, топологические возбуждения и моделирование ВТСП
в двумерной системе
1.4.2 Проверка теории струн
1.4.3 Модель Хаббарда
1.5 История экспериментов с атомными ферми-газами
1.6 Общая характеристика диссертационной работы
1.6.1 Перечень и новизна результатов, выносимых на защиту. Роль автора
1.6.2 Актуальность работы

поля [75]. Малая вероятность перехода объясняется большой отстройкой между частотой лазера и частотой перехода 2S -> 2Р.
При вычислении дипольного потенциала U(х) может быть использована статическая поляризуемость лития, которая составляет астат. = 24,3 • 10~24 см3 [76]. Пленяющий потенциал одинаков для атомов в состояниях |1) — |6) поскольку зависит лишь от свойств электронного облака, но не от спиновых переменных.
Ловушки двух типов использовались в данной работе:
- веретенообразная, показанная на рисунке 2.3;
- серия дископодобных ловушек, образованных пучностями стоячей волны.
Первая использовалась для исследования 3-мерного газа, а вторая — для приготовления кинематически 2-мерного газа. В следующих двух подразделах параметры пленяющих потенциалов U(х) рассчитаны через параметры оптической системы, создающей ловушку.
2.4.2 Веретенообразный потенциал
Рассмотрим дипольную ловушку, образованную фокусом бегущей волны. Волна распространяется вдоль z и фокусируется в плоскости z = 0. Распределение интенсивности в луче
^ = i+%4е ’ <2-14)
где zp = knwl — релеевская3) длина, кл = 2тт/(10,6 мкм) — волновой вектор инфракрасного излучения, a w0 — радиус луча в фокусе по уровню интенсивности 1/е. Луч мощности Р сфокусирован линзой с фокусным
3)John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842-1919