Как ведет себя система, определяется ее свойствами взаимодействия. Важным понятием в физике конденсированного состояния для описания распределения электронов в твердых телах по энергиям является поверхность Ферми, названная в честь итальянского физика Энрико Ферми. Существование поверхности Ферми является прямым следствием принципа запрета Паули, который запрещает двум идентичным фермионам одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Энергетически поверхность Ферми отделяет заполненные энергетические уровни от пустых.
Для электронов и других фермионных частиц с изотропными взаимодействиями — одинаковыми свойствами во всех направлениях — поверхность Ферми имеет сферическую форму. «Это нормальный случай в природе и основа многих физических явлений», — говорит Франческа Ферлайно из Института экспериментальной физики Университета Инсбрука. «Когда взаимодействие частиц является анизотропным, то есть зависимым от направления, физическое поведение системы полностью изменяется. Введение анизотропных взаимодействий может деформировать поверхность Ферми, и предполагается, что она принимает эллипсоидальную форму». Деформация поверхности Ферми вызвана взаимодействием между сильным магнитным взаимодействием и принципом запрета Паули. Франческа Ферлайно и ее группа экспериментальных исследований впервые смогли продемонстрировать такую деформацию.
Моделирование в ультрахолодном квантовом газеДля своего эксперимента квантовые физики заключили газ фермионных атомов эрбия в лазерную ловушку и охладили его почти до абсолютного нуля. Элемент эрбий обладает сильным магнитным полем, что приводит к экстремальному дипольному поведению.
Следовательно, взаимодействие между этими атомами зависит от направления. Когда физики выпускают ультрахолодный газ из ловушки, они могут сделать вывод о форме поверхности Ферми по распределению частиц по импульсам. «Атомы эрбия ведут себя аналогично магнитам, что означает, что их взаимодействие сильно зависит от направления, в котором взаимодействуют частицы. Наш эксперимент показывает, что форма поверхности Ферми зависит от геометрии взаимодействия и больше не является сферической», — объясняет Первый автор исследования Киётака Айкава феномен, который чрезвычайно трудно наблюдать.Основной вопрос«Общий вопрос, которым мы здесь занимаемся, заключается в том, как геометрия взаимодействий частиц влияет на квантовые свойства материи», — объясняет Франческа Ферлайно.
Ответ на этот вопрос представляет интерес для физиков из разных областей физики, таких как изучение высокотемпературных сверхпроводников. «Нам нужно лучше понять эти свойства для разработки новых квантовых систем», — подчеркивает Франческа Ферлайно. Ультрахолодные квантовые газы снова представляют собой идеальную платформу для моделирования сложных сценариев.Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки Австрии, Австрийского научного фонда и Европейского Союза.
С июля 2014 года лауреат премии ERC и START Франческа Ферлайно является научным директором Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук.