Kvantpartikler danner dråber

I forsøg med magnetiske atomer udført ved ekstremt lave temperaturer, forskere har demonstreret en enestående fase af stof:atomerne danner en ny type kvantevæske eller kvantedråbetilstand. Disse såkaldte kvantedråber kan bevare deres form i fravær af ydre indespærring på grund af kvanteeffekter. Det fælles team af eksperimentelle fysikere fra Innsbruck og teoretiske fysikere fra Hannover rapporterer om deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

"Vores kvantedråber er i gasfasen, men de falder stadig som en sten, "forklarer eksperimentel fysiker Francesca Ferlaino, når han taler om det fascinerende eksperiment. I laboratoriet, hendes team observerede, hvordan makrodråber dannede sig i en kvantegas. Forskerne blev overraskede over at opdage, at kvantedråberne blev holdt sammen næsten uden ekstern indgriben og udelukkende ved kvanteeffekter. Denne opdagelse af forskergruppen i Innsbruck, og et lignende arbejde udført samtidigt af en forskergruppe fra universitetet i Stuttgart, der arbejder med det magnetiske element dysprosium, åbner et helt nyt forskningsområde inden for ultrakølede kvantegasser.

I deres eksperiment fremstillede forskerne et Bose-Einstein-kondensat af erbiumatomer ved ekstremt lave temperaturer i et vakuumkammer. De kontrollerede derefter partikelinteraktionen ved hjælp af et eksternt magnetfelt. De unikke egenskaber ved magnetiske atomer tillod at undertrykke regelmæssige interaktioner i en grad, hvor kvantekorrelationer blev drivkraften. Med sit team har Ferlaino været i stand til at bevise, at kvantesvingninger fører til en effektiv frastødning af partikler, der giver den nødvendige overfladespænding til at stabilisere en kvantedråbe mod kollaps. "I vores eksperiment har vi, for første gang, realiserede en kontrolleret delefilter fra et Bose-Einstein-kondensat, der opfører sig som en overflødig gas, i en enkelt kæmpe væskelignende kvantedråbe på 20, 000 atomer, "forklarer eksperimentel fysiker og første forfatter til undersøgelsen Lauriane Chomaz. Takket være udsøgt kontrol af de interatomiske interaktioner i eksperimentet, fysikerne var i stand til endegyldigt at bevise betydningen af ​​kvantesvingninger ved at sammenligne deres eksperimentelle data med den teori, der blev udviklet af Luis Santos forskningsgruppe ved University of Hannover.

Den fremragende overensstemmelse mellem teori og eksperiment afslørede kvantesvingningernes rolle sammen med de kontra-intuitive egenskaber ved denne nye fase af stof, som kan findes mellem gasformige Bose-Einstein-kondensater og flydende superfluid helium. Yderligere undersøgelser af denne dråbtilstand kan bidrage til at øge vores viden om superfluiditet. Ved siden af ​​helium, en kvantedråbe er det eneste væsketype superfluidsystem, man kender. Ultrakolde kvantegasser tilbyder en unik og perfekt platform til at studere dette fænomen på grund af deres høje renhed og afstemning. På lang sigt, denne fase af stof kan føre til ny indsigt, der er relevant for undersøgelser af supersoliditet, som er overflødigt kondenseret stof.