Forskere skaber ny form for stof - supersolid er krystallinsk og overflødigt på samme tid

MIT -fysikere har skabt en ny form for stof, et supersolid, som kombinerer faststoffers egenskaber med superfluids egenskaber.

Ved at bruge lasere til at manipulere en superflydende gas kendt som et Bose-Einstein-kondensat, holdet var i stand til at lokke kondensatet til en kvantefase af stof, der har en stiv struktur - som et fast stof - og kan flyde uden viskositet - et centralt kendetegn ved et superfluid. Undersøgelser af denne tilsyneladende modstridende fase af stof kunne give dybere indsigt i superfluider og superledere, som er vigtige for forbedringer i teknologier såsom superledende magneter og sensorer, samt effektiv energitransport. Forskerne rapporterer deres resultater i denne uge i tidsskriftet Natur .

"Det er kontraintuitivt at have et materiale, der kombinerer overflødighed og soliditet, "siger teamleder Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur professor i fysik ved MIT. "Hvis din kaffe var overflødig, og du rørte den, det ville blive ved med at dreje rundt for evigt. "

Fysikere havde forudsagt muligheden for supersolider, men havde ikke observeret dem i laboratoriet. De teoretiserede, at fast helium kunne blive overflødigt, hvis heliumatomer kunne bevæge sig rundt i en fast krystal af helium, effektivt at blive et supersolid. Imidlertid, det eksperimentelle bevis forblev undvigende.

Teamet brugte en kombination af laserkøling og fordampningskølemetoder, oprindeligt co-udviklet af Ketterle, at afkøle natriumatomer til nanokelvin -temperaturer. Natriumatomer er kendt som bosoner, for deres lige antal nukleoner og elektroner. Når den afkøles til næsten absolut nul, bosoner danner en superfluid tilstand af fortyndet gas, kaldet et Bose-Einstein-kondensat, eller BEC.

Ketterle medopdagede BEC'er-en opdagelse, som han blev anerkendt med Nobelprisen i fysik i 2001.

"Udfordringen var nu at tilføje noget til BEC for at sikre, at den udviklede en form eller form ud over formen af ​​'atomfælden, 'som er den kendetegnende egenskab for et fast stof, ”forklarer Ketterle.

Vend omdrejningen, at finde striberne

For at oprette den supersolid tilstand, holdet manipulerede bevægelsen af ​​atomerne i BEC ved hjælp af laserstråler, introducerer "spin-orbit-kobling".

I deres ultrahøjvakuumkammer, holdet brugte et første sæt lasere til at konvertere halvdelen af ​​kondensatets atomer til en anden kvantetilstand, eller spin, hovedsageligt at skabe en blanding af to Bose-Einstein-kondensater. Yderligere laserstråler overførte derefter atomer mellem de to kondensater, kaldet en "spin flip".

"Disse ekstra lasere gav de 'spin-vendte' atomer et ekstra spark for at realisere spin-orbit-koblingen, "Siger Ketterle.

Fysikere havde forudsagt, at et spin-kredsløbskoblet Bose-Einstein-kondensat ville være et supersolid på grund af en spontan "tæthedsmodulation". Som et krystallinsk fast stof, tætheden af ​​et supersolid er ikke længere konstant og har i stedet et krusning- eller bølgelignende mønster kaldet "stribefasen".

"Det sværeste var at observere denne densitetsmodulation, "siger Junru Li, en MIT -kandidatstuderende, der arbejdede på opdagelsen. Denne observation blev udført med en anden laser, hvis stråle blev diffrakteret af densitetsmodulationen. "Opskriften på supersolid er virkelig enkel, "Li tilføjer, "men det var en stor udfordring at præcist justere alle laserstrålerne og få alt stabilt til at observere stribefasen."

Kortlægge, hvad der er muligt i naturen

I øjeblikket, supersolid findes kun ved ekstremt lave temperaturer under ultrahøjvakuumforhold. Fremadrettet, teamet planlægger at udføre yderligere eksperimenter med supersolider og spin-orbit-kobling, karakterisere og forstå egenskaberne ved den nye form for stof, de skabte.

"Med vores kolde atomer, vi kortlægger, hvad der er muligt i naturen, "forklarer Ketterle." Nu hvor vi eksperimentelt har bevist, at teorierne om forudsigelse af supersolider er korrekte, vi håber at inspirere til yderligere forskning, muligvis med uventede resultater. "

Flere forskergrupper arbejdede på at realisere det første supersolid. I samme nummer af Natur , en gruppe i Schweiz rapporterede om en alternativ måde at gøre et Bose-Einstein-kondensat til et supersolid ved hjælp af spejle, som opsamlede laserlysspredning ved atomerne. "Den samtidige erkendelse af to grupper viser, hvor stor interessen er for denne nye form for stof, «siger Ketterle.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.