Forskere opnår supersoliditetstilstand eksperimentelt

Når stof afkøles til nær det absolutte nul, spændende fænomener dukker op. Disse omfatter supersoliditet, hvor krystallinsk struktur og friktionsfri strømning opstår sammen. Det er lykkedes ETH-forskere at indse denne mærkelige tilstand eksperimentelt for første gang.

Solid, væske eller gas er de tre klart definerede tilstande af stof. Det er svært at forestille sig, at stoffer samtidig kan udvise egenskaber af to af disse tilstande. Endnu, netop et sådant fænomen er muligt i kvantefysikkens område, hvor stof kan udvise adfærd, der virker gensidigt udelukkende.

Supersoliditet er et eksempel på sådan en paradoksal tilstand. I et supersolid, atomer er arrangeret i et krystallinsk mønster, mens de på samme tid opfører sig som en supervæske, hvor partikler bevæger sig uden friktion.

Indtil nu, supersoliditet var blot en teoretisk konstruktion. Men i det seneste nummer af Natur , en gruppe forskere ledet af Tilman Esslinger, professor i kvanteoptik ved Institut for Kvanteelektronik, og Tobias Donner, seniorforsker ved samme institut, rapportere den succesfulde produktion af en supersolid tilstand.

Forskerne introducerede en lille mængde rubidiumgas i et vakuumkammer og afkølede det til en temperatur på et par milliardtedele kelvin over det absolutte nulpunkt, sådan at atomerne kondenserede til det, der er kendt som et Bose-Einstein-kondensat. Dette er en ejendommelig kvantemekanisk tilstand, der opfører sig som en supervæske.

Forskerne placerede dette kondensat i en enhed med to krydsende optiske resonanskamre, hver bestående af to små modstående spejle. Kondensatet blev derefter belyst med laserlys, som var spredt i begge disse to kamre. Kombinationen af ​​disse to lysfelter i resonanskamrene fik atomerne i kondensatet til at vedtage en regulær, krystallignende struktur. Kondensatet beholdt sine superflydende egenskaber - atomerne i kondensatet var stadig i stand til at flyde uden energitilførsel, i det mindste i én retning, hvilket ikke er muligt i et "normalt" fast stof.

"Vi var i stand til at producere denne specielle tilstand i laboratoriet takket være en sofistikeret opsætning, der gjorde det muligt for os at gøre de to resonanskamre identiske for atomerne, " forklarer Esslinger.

Fra teoretisk begreb til eksperimentel virkelighed

Med deres eksperiment, fysikerne i teamet af Esslinger og Donner realiserede et koncept, der var teoretiseret af forskere, herunder den britiske fysiker David Thouless. I 1969, han postulerede, at en superfluid også kunne have en krystallinsk struktur. Teoretiske overvejelser førte til den konklusion, at dette fænomen lettest kunne påvises med helium afkølet til blot nogle få kelvin over det absolutte nulpunkt. I 2004 en amerikansk gruppe rapporterede, at de havde fundet eksperimentelle beviser for en sådan tilstand, men tilskrev senere deres fund til overfladevirkninger af helium. "Vores arbejde har nu med succes implementeret Thouless' ideer, " forklarer Donner. "Vi brugte ikke helium, imidlertid, men et Bose-Einstein-kondensat."

Et sekund, uafhængig undersøgelse om samme emne optræder i samme nummer af Natur :en gruppe forskere ledet af Wolfgang Ketterle ved MIT annoncerede sidste efterår – kort efter forskerne på ETH – at det også var lykkedes dem at finde beviser for supersoliditet, bruge en anden eksperimentel tilgang.