Одномерную электронную жидкость Латтинжера можно смоделировать с помощью ультрахолодного Бозе-газа. Этот факт экспериментально доказал коллектив ученых из Китая, Германии и Австралии. Также они получили для таких жидкостей закон масштабирования плотности. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Обычно взаимодействие электронов в проводниках описывается теорией Ферми-жидкости, качественно похожей на теорию Ферми-газа с более сильным взаимодействием. Однако в одномерном случае (например, в квантовых проводах) эта теория неприменима, и следует использовать теорию жидкости Латтинжера (Томонаги-Латтинжера). Согласно этой модели, во втором порядке теории приближений низкоэнергетические возбуждения в электронном газе можно представить как взаимодействие бозонов (хотя сами электроны, вообще говоря, являются фермионами).

Bing Yang et al / Phys. Rev. Lett.

Около критической точки в квантовых одномерных системах должен наблюдаться фазовый переход между состоянием классического газа и состоянием жидкости Латтинжера. При конечных температурах эти две фазы дополнительно разделяет квантовый критический режим. Несмотря на то, что ультрахолодные атомные газы часто используют для исследования фазовых переходов и критического режима, этот подход еще не применялся для одномерных проводников, и поведение жидкости Латтинжера около критической точки исследовано плохо.

Схема экспериментальной установки. Bing Yang et al / Phys. Rev. Lett.

В новой статье ученые моделировали жидкость Латтинжера с помощью ультрахолодного (температура 18–74 нанокельвинов) Бозе-газа частиц 87Rb, который они удерживали в массиве одномерных ловушек с помощью лазеров различной длины волны. Затем физики наблюдали за газом в микроскоп высокого разрешения и измеряли его плотность in situ (непосредственно). Повторяя измерения при различных значениях температуры и химического потенциала, ученые получили закон масштабирования плотности исследуемого образца.

Также физики нашли зависимость от химического потенциала удельной теплоемкости образца при разных температурах. Оказалось, что она имеет два заметных пика. Если отметить эти пики на плоскости химический потенциал — температура, получится, что точки ложатся на две теоретически предсказанные ветви, отделяющие состояния квантового газа и жидкости Латтинжера от промежуточного критического состояния. Это значит, что смоделированная система действительно хорошо описывается теорией Томонаги-Латтинжера.

Зависимость удельной теплоемкости от химического потенциала при двух значениях температры. Bing Yang et al / Phys. Rev. Lett.

Отмеченные на плоскости химический потенциал — температура пики удельной теплоемкости. Bing Yang et al / Phys. Rev. Lett.

Кроме того, ученые исследовали распространение в ультрахолодном газе звуковых волн и определили для него параметры Латтинжера. Полученный таким образом экспоненциальный закон для корреляционной функции также свидетельствовал о том, что физики действительно смоделировали одномерную фермионную жидкость. Небольшие отклонения закона от теоретической модели авторы объясняют неоднородностью удерживающих гармонических потенциалов.

Одновременно с данной статьей в Physical Review Letters вышла другая статья, посвященная моделированию жидкости Латтинжера. В ней международный коллектив ученых (включая физика из ИТФ Ландау) исследовал влияние беспорядка на предсказания теории Томонаги-Латтинжера с помощью одномерного массива джозефсоновских контактов.

О том, как физики создали виртуальную квантовую лестницу из импульсов, используя такой же ультрахолодный газ из атомов 87Rb, вы можете прочитать в нашей статье. Также ранее мы писали, как ученые научились не только охлаждать молекулярный газ до низких температур, но и управлять квантовым состоянием отдельных частиц.

Автор: Дмитрий Трунин