Forskere bekræfter årtier gammel teori, der beskriver principper for faseovergange

Ny forskning udført ved University of Chicago har bekræftet en årtier gammel teori, der beskriver dynamikken i kontinuerlige faseovergange.

Fundene, offentliggjort i 4. november -udgaven af Videnskab , give den første klare demonstration af Kibble-Zurek-mekanismen for en kvantefaseovergang i både rum og tid. Prof. Cheng Chin og hans team af fysikere i UChicago observerede overgangen i gasformige cæsiumatomer ved temperaturer nær absolut nul.

I en faseovergang, stof ændrer form og egenskaber som ved overgange fra fast til flydende (f.eks. is til vand) eller fra væske til gas (f.eks. vand til damp). Disse er kendt som førsteordens faseovergange.

En kontinuerlig faseovergang, eller andenordens overgang, danner fejl - f.eks. domænevægge, kosmiske strenge og teksturer - hvor noget af sagen sidder fast mellem regioner i forskellige tilstande. Kibble-Zurek-mekanismen forudsiger, hvordan sådanne defekter og komplekse strukturer vil dannes i rum og tid, når et fysisk system gennemgår en kontinuerlig faseovergang. Eksempler på kontinuerlige faseovergange omfatter den spontane symmetribrud i det tidlige univers og, i tilfælde af eksperimentet fra Chins team, en ferromagnetisk faseovergang i gasformige cæsiumatomer.

"Vi studerer faseovergange, fordi det er et af de mest grundlæggende spørgsmål, der undrer os, "sagde Chin, medforfatter af papiret. "Hvad er oprindelsen til universets komplekse struktur, hvordan opstår ufuldkommenheder, og hvordan udvikler identiske materialer forskellige egenskaber over tid? "

Kosmologer, der studerer oprindelsen, udvikling, universets struktur og fremtid overvejer også faseovergange i materiale, fordi det informerer deres forståelse af, hvad der skete i hele universets historie - især under dets dannelse.

"Det, vi lærer af at teste KZM i vores system, handler ikke om universets oprindelse, "Sagde Chin." Det handler snarere om, hvordan kompleks struktur udvikles gennem en overgang. Det er to forskellige, men beslægtede spørgsmål. Du kan spørge:'Hvor kommer sneen fra?' eller 'Hvorfor har snefnug en smuk krystalstruktur?' Vores undersøgelse handler mere om det andet spørgsmål. "

Resultaterne af eksperimentet kan anvendes på mange systemer - såsom flydende krystaller, superflydende helium eller endda cellemembraner - der gennemgår lignende kontinuerlige faseovergange. "Alle skulle dele den samme rum-tid-skaleringssymmetri, som vi så her, "sagde Logan Clark, en UChicago -doktorand i fysik og første forfatter af papiret.

I forsøget, en damp af cæsiumatomer blev afkølet ved hjælp af laserstråler, og derved skabe en kvantecæsiumgas. Yderligere laserstråler blev brugt til at skabe et optisk gitter, der stillede gasatomer op i mønstre. Lydbølger blev brugt til at ryste det optiske gitter og drive atomerne hen over en kontinuerlig, ferromagnetisk kvantefaseovergang. Dette fik dem til at opdele sig i forskellige domæner med enten positiv eller negativ fremdrift. Forskerne fandt ud af, at strukturen af ​​de resulterende domæner var i overensstemmelse med, hvad Kibble-Zurek-mekanismen ville have forudsagt.

"Kvantgassen, der krydser faseovergangen i det optiske gitter i vores eksperiment, er analog med hele det tidlige univers, der krydser en faseovergang, "Clark sagde." Ethvert system, der gennemgår en kontinuerlig faseovergang, bør dele de egenskaber, vi så i vores eksperiment. "

De dannede mønstre afhænger af, hvor hurtigt rystelsesmængden blev øget, sagde Lei Feng, en doktorand i fysik i UChicago og medforfatter af papiret. "Jo hurtigere rystelsen blev øget, jo mindre domæner. Atomenes momentum i forskellige områder af væsken var synlig gennem mikroskopet, så vi kunne se, hvor store domænerne var og tælle antallet af fejl mellem dem. "

Erich Mueller, professor i fysik ved Cornell University, der kender forskningen, beskrev fundene som "en bemærkelsesværdig demonstration af fysikens universalitet."

"Den samme teori, der bruges til at forklare dannelsen af ​​struktur i det tidlige univers, forklarer også dannelsen af ​​strukturen i de kolde gasser", der blev brugt i deres eksperimenter, sagde Mueller, der ikke deltog i undersøgelsen.

Arbejdet bidrager til den grundlæggende forståelse af fysik, Sagde Chin. "Mens kosmologer stadig leder efter beviser for Kibble-Zurek-mekanismen, vores team så det faktisk i vores laboratorium i prøver af atomer ved ekstremt lave temperaturer.

"Vi er på rette vej til at undersøge andre spændende kosmologiske fænomener, ikke kun med et teleskop, men også med et mikroskop, "sluttede han.