Overraskende karakter af quantum solitary bølger afsløret

Solitære bølger - kendt som solitoner - optræder i mange former. Måske den mest genkendelige er tsunamien, som dannes efter en forstyrrelse på havbunden og kan rejse, ufortrødent, ved høje hastigheder i flere hundrede kilometer.

Per definition, en soliton bevarer sin form, mens den forplanter sig med en konstant hastighed. Men hvad sker der, når to, eller mere, solitons interagerer? Den generelle konsensus fra tidligere undersøgelser er, at solitoner i det væsentlige er uændrede af en sådan interaktion og passerer gennem hinanden, men fysikprofessor Erich Mueller og kandidatstuderende Shovan Dutta har udfordret denne opfattelse i en rapport, der netop er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Deres papir, "Kollektive tilstande af et Soliton-tog i en Fermi Superfluid, " blev offentliggjort 29. juni. Begge mænd arbejder i Cornell's Laboratory of Atomic and Solid State Physics.

Holdet fandt noget drastisk anderledes for solitoner, der interagerer i en supervæske, som dannes, når en gas af atomer afkøles til nær det absolutte nul. Ikke kun påvirker solitonerne hinanden, men de kan endda støde sammen og ødelægge hinanden.

Nylige eksperimenter har skabt single, langlivede solitoner i en supervæske. Dutta og Mueller undersøgte teoretisk interaktionerne inden for et stort udvalg af sådanne solitoner i en supervæske, såsom Lithium-6. Til deres overraskelse, Mueller og Dutta opdagede en ustabilitet, hvor par af solitoner kolliderer og udsletter hinanden. De fandt også en række nye kollektive svingninger af solitonerne.

Ustabilitetsraten er følsom over for adskillelsen af ​​solitoner og interaktionen mellem atomer, som begge kan indstilles i eksperimenter. Ud over, de fandt ud af, at ustabiliteten kunne forhindres ved at magnetisere gassen - og danne en eksotisk kvantetilstand, som først blev diskuteret i 1960'erne i forbindelse med superledere med magnetiske urenheder.

Dutta og Mueller begyndte dette arbejde med at søge efter supersymmetri i fysik af kondenseret stof; i partikelfysik, teorien om supersymmetri forbinder de to grundlæggende klasser af elementarpartikler – bosoner og fermioner – og siger, at for hver partikel fra én gruppe, der eksisterer en "superpartner" fra den anden.

"En retning, som vi løb i, " sagde Mueller, "var, at vi troede, vi havde en måde at eksplicit se denne symmetri [i kondenseret stof]."

Det viste sig ikke at eksistere, Mueller sagde, men det, han og Dutta fandt, dannede grundlaget for deres papir. Ved sammenligning af bosoniske og fermioniske excitationer af supervæsken, de undersøgte den kollektive bevægelse af en række solitoner og fandt ud af, at bølgerne – som i det væsentlige blev dannet i én dimension – tog flere kollektive bevægelser. Nogle af dem var forventet, men andre, herunder ustabilitet, var ikke.

De fandt også ud af, at ustabiliteten kunne overvindes ved magnetisering, som effektivt danner en ubalance, rumligt moduleret superfluid fase – kendt som FFLO-tilstanden – der var blevet diskuteret i teoretiske termer for 50 år siden, men aldrig direkte realiseret i eksperimenter. Dette åbner døren, Dutta sagde, at yderligere studere nye kvantetilstande og relaterede områder, eksotisk superledning.

"Det har været en langvarig udfordring for et stort samfund af mennesker, at skabe denne kvantetilstand, " han sagde, "og vores resultater viser, at man direkte kan konstruere det i kolde atomare gasser."

Mueller og Dutta har indsendt et relateret papir om deres protokol til direkte konstruktion af denne nye kvantetilstand. Deres arbejde udvider vores forståelse af ikke-ligevægtsdynamikken i mange-krops kvantesystemer.

"Hvis du kan etablere de grundlæggende elementer i dynamikken for dette system, som kunne ses som en prototype til mere komplicerede systemer, så giver det dig en vis forståelse af, hvordan kvanteverdenen fungerer, " tilføjede Dutta.