Gaz Tonks – Girardeau - Tonks–Girardeau gas

W fizyki , A Tonks-Girardeau gaz jest gazem Bose , w którym odpychające interakcje bozonowych cząstek ograniczony do jednego wymiaru zdominować fizycznego układu. Został nazwany na cześć fizyków Marvina D. Girardeau i Lewiego Tonksa . Ściśle mówiąc, nie jest to kondensat Bosego-Einsteina, ponieważ nie wykazuje żadnej z cech, takich jak poza diagonalny porządek dalekiego zasięgu lub jednolita funkcja korelacji dwóch ciał, nawet w granicy termodynamicznej i jako taka nie może być opisana przez makroskopowo zajęty orbital (parametr porządku) w sformułowaniu Gross – Pitaevskii .

Definicja

Rozważmy rząd bozonów, wszystkie ograniczone do jednowymiarowej linii. Nie mogą się mijać i dlatego nie mogą zamieniać się miejscami. Wynikowy ruch porównano do korka : ruch każdego bozonu byłby silnie skorelowany z ruchem jego dwóch sąsiadów. Można to uważać za największą granicę c gazu delta Bosego .

Ponieważ cząstki nie mogą zamieniać miejscami, można by oczekiwać, że ich zachowanie będzie fermionowe , ale okazuje się, że ich zachowanie różni się od zachowania fermionów pod kilkoma istotnymi względami: wszystkie cząstki mogą zajmować ten sam stan pędu, który nie odpowiada ani Bosemu-Einsteinowi, ani Statystyka Fermiego – Diraca . Jest to zjawisko bozonizacji, które zachodzi w wymiarach 1 + 1.

W przypadku gazu Tonks-Girardeau (TG) tak wiele właściwości tego jednowymiarowego ciągu bozonów byłoby na tyle podobnych do fermionów, że sytuacja ta jest często określana jako „ fermionizacja ” bozonów. Gaz Tonksa-Girardeau zbiega się z kwantowym nieliniowym równaniem Schrödingera dla nieskończonego odpychania, które można skutecznie analizować metodą kwantowego odwrotnego rozpraszania . Relacja ta pomaga w badaniu funkcji korelacji (mechaniki statystycznej) . Funkcje korelacji można opisać systemem Integrable . W prostym przypadku są to transcendenty Painlevé . Podręcznik wyjaśnia szczegółowo opis funkcji korelacji kwantowej gazu Tonksa-Girardeau za pomocą klasycznych, całkowicie integrowalnych równań różniczkowych. Termodynamikę gazu Tonks-Girardeau opisał Chen Ning Yang .

Realizacja gazu TG

Nie było znanych przykładów TG aż do 2004 roku, kiedy Paredes i współpracownicy zaprezentowali technikę tworzenia szeregu takich gazów przy użyciu sieci optycznej . W innym eksperymencie Kinoshicie i współpracownikom udało się również zaobserwować silnie skorelowany gaz 1D Tonks-Girardeau.

Sieć optyczna jest utworzona przez sześć przecinających się wiązek laserowych , które generują wzór interferencyjny . Belki są ułożone jako fale stojące w trzech prostopadłych kierunkach. Skutkuje to szeregiem optycznych pułapek dipolowych, w których atomy są przechowywane w maksimach intensywności wzoru interferencyjnego.

Naukowcy najpierw załadowali ultrazimne atomy rubidu do jednowymiarowych rur utworzonych przez dwuwymiarową siatkę (trzecia fala stojąca jest chwilowo wyłączona). Ta sieć jest bardzo silna, więc atomy nie mają wystarczającej energii, aby tunelować między sąsiednimi rurami. Z drugiej strony interakcja jest nadal zbyt niska, aby przejść na reżim TG. W tym celu wykorzystuje się trzecią oś siatki. Jest ustawiony na niższą intensywność i krótszy czas niż pozostałe dwie osie, dzięki czemu tunelowanie w tym kierunku pozostaje możliwe. W celu zwiększenia intensywności trzeciej sieci, atomy w tej samej studni sieciowej są coraz mocniej uwięzione, co zwiększa energię zderzeń . Kiedy energia zderzenia staje się znacznie większa niż energia tunelowania, atomy mogą nadal tunelować do pustych studni kratowych, ale nie do lub w poprzek zajętych studni.

Technika ta została wykorzystana przez wielu innych badaczy do uzyskania szeregu jednowymiarowych gazów Bosego w reżimie Tonksa-Girardeau. Jednak fakt, że obserwuje się szereg gazów, pozwala na pomiar tylko uśrednionych wielkości. Ponadto istnieje rozproszenie temperatur i potencjału chemicznego między różnymi rurami, które wymywają wiele efektów. Na przykład ta konfiguracja nie pozwala na badanie fluktuacji w systemie. Dlatego też interesujące okazało się wyprodukowanie jednego gazu Tonks – Girardeau. W 2011 roku jednemu zespołowi udało się stworzyć pojedynczy jednowymiarowy gaz Bose w tym bardzo osobliwym reżimie, magnetycznie pułapkując atomy rubidu w pobliżu mikrostruktury. Thibaut Jacqmin i wsp. Zdołali zmierzyć wahania gęstości w tak jednym silnie oddziałującym gazie. Te fluktuacje okazały się sub-poissońskie , jak oczekiwano w przypadku gazu Fermiego.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ VE Korepin, NM Bogoliubov i AG Izergin, kwantowa metoda odwrotnego rozpraszania i funkcje korelacji , Cambridge University Press, 1993
  2. ^ Paredes, Belén; Widera, Artur; Murg, Valentin; Mandel, Olaf; Fölling Simon; Cirac, Ignacio; Shlyapnikov, Gora V .; Hänsch, Theodor W .; Bloch, Immanuel (20.05.2004). „Gaz Tonks-Girardeau ultrazimnych atomów w sieci optycznej”. Natura . 429 (6989): 277–281. Bibcode : 2004Natur.429..277P . doi : 10.1038 / nature02530 . ISSN   0028-0836 . PMID   15152247 .
  3. ^ Weiss, David S .; Wenger, Trevor; Kinoshita, Toshiya (20.08.2004). „Obserwacja jednowymiarowego gazu Tonks-Girardeau”. Science . 305 (5687): 1125–1128. Bibcode : 2004Sci ... 305.1125K . doi : 10.1126 / science.1100700 . ISSN   1095-9203 . PMID   15284454 .
  4. ^ Jacqmin, Thibaut; Armijo Julien; Berrada, Tarik; Kheruntsyan, Karen V .; Bouchoule, Isabelle (10.06.2011). „Sub-Poissonian Fluctuations in a 1D Bose Gas: From the Quantum Quasicondensate to the Silnie Interacting Reime”. Pismo z przeglądu fizycznego . 106 (23): 230405. arXiv : 1103.3028 . Bibcode : 2011PhRvL.106w0405J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.106.230405 . PMID   21770488 .

Linki zewnętrzne