近日，中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院江開軍研究團隊在超冷費米氣體非平衡動力學研究方面取得進展。該團隊實驗制備了球形幺正費米氣體，發(fā)現(xiàn)了體系在自由飛行過程中的動力學演化滿足標度不變性，并通過測量呼吸模式證明了體系具有SO(2,1)對稱性。
 

　　幺正費米氣體的s波散射長度趨近無窮大，為標度不變體系。當這種氣體被裝載到一個各向同性的偶極勢阱時，體黏度和剪切黏度對體系自由膨脹過程的影響會消失，而體系展現(xiàn)出全方位的標度不變膨脹行為。同時，對勢阱中的體系而言，其哈密頓量滿足SO(2,1)李代數(shù)關系。這預示著體系擁有一些獨特的集體激發(fā)模式。研究球形幺正費米氣體的動力學行為對探討強關聯(lián)體系中的非平衡動力學演化較為重要，但在實驗上制備這樣的氣體卻頗有挑戰(zhàn)性。
 

　　該研究利用兩束橢圓激光來構建各向同性的光偶極阱。研究通過三透鏡系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)對光阱的非球度進行調(diào)控，利用特定的梯度磁場來消除重力的影響。進一步，研究借助磁場Feshbach共振技術，調(diào)控原子間的相互作用強度，使體系進入幺正區(qū)域。在獲取6Li原子簡并費米氣體后，研究利用光阱轉移技術將費米氣體轉移到各向同性的光偶極阱中，并通過蒸發(fā)冷卻獲得超低溫的球形幺正費米氣體。
 

　　研究顯示，在自由膨脹實驗中，球形幺正費米氣體展現(xiàn)出獨特的標度不變性。這種性質(zhì)不依賴方向和溫度條件，亦是各向異性體系不具備的。測量發(fā)現(xiàn)，體系在不同溫度下的內(nèi)能和勢能相等，這驗證了幺正費米氣體的維里定理。研究觀察了體系的呼吸模式，發(fā)現(xiàn)了其振蕩頻率恰好為囚禁頻率的兩倍，且模式的衰減率低，這為體系具有SO(2,1)對稱性提供了實驗支持。研究測量了標度不變性被破壞時體系的自由膨脹行為，并在BEC-BCS渡越區(qū)間獲得了連接化學勢與原子密度的有效指數(shù)。實驗結果與平均場理論計算定性一致。
 

　　該研究揭示了球形幺正費米氣體的標度不變性，并對具有SO(2,1)對稱性的三維超冷費米氣體開展了實驗研究，為研究具有共形不變性體系的非平衡動力學行為奠定了基礎。
 

　　相關研究成果被遴選為編輯推薦文章，以Scale Invariance of a Spherical Unitary Fermi Gas為題，發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院相關項目等的支持。
 

球形幺正費米氣體示意圖