Fysikere observerer partikler, der virker sammenhængende, når de gennemgår faseovergange

Den fælles forbindelse mellem flydende krystal-tv og universets fødsel, når man ser på det store billede, er, at de begge er kendetegnet ved det spændende fænomen, hvor stof pludselig ændrer tilstand.

Forskere ønsker bedre at forstå og kontrollere partiklernes adfærd i det nøjagtige øjeblik, hvor disse såkaldte faseovergange - en ændring i energi i et system, meget som en proces, hvor vand fordamper eller bliver til is - sker.

En undersøgelse offentliggjort 18. december i Naturfysik af University of Chicago har forskere observeret, hvordan partikler opfører sig, når ændringen finder sted i små detaljer. Ud over at kaste lys over de grundlæggende regler, der styrer universet, forståelse af sådanne overgange kunne hjælpe med at designe mere brugbare teknologier.

Et af spørgsmålene var, om når partikler forbereder sig på overgang mellem kvantetilstande, de kan fungere som én sammenhængende gruppe, der "kender" de andres tilstande, eller om forskellige partikler kun virker uafhængigt af hinanden, eller usammenhængende.

Cheng Chin, professor ved Institut for Fysik, og hans team så på en eksperimentel opsætning af titusindvis af atomer, der var kølet ned til næsten det absolutte nul. Da systemet krydsede en kvantefaseovergang, de målte dens adfærd med et ekstremt følsomt billeddannelsessystem.

Den konventionelle visdom var, at atomerne skulle udvikle sig usammenhængende efter overgangen - et kendetegn for ældre "klassiske" snarere end kvantemodeller af fysik. "I modsætning, vi fandt stærke beviser for sammenhængende dynamik, " sagde kandidatstuderende Lei Feng, den første forfatter på undersøgelsen. "På intet øjeblik bliver de klassiske partikler; de opfører sig altid som bølger, der udvikler sig synkront med hinanden, hvilket skulle give teoretikere en ny ingrediens til at inkludere i, hvordan de modellerer sådanne systemer, der er ude af ligevægt."

Dette spørgsmål drejer sig om de grundlæggende regler, der styrer den måde, som stof interagerer på i vores univers - men som altid, det har også praktiske overvejelser. For eksempel, ingeniører, der forsøger at bygge kvantecomputere, er meget interesserede i at bevare sammenhængen i en gruppe af interagerende kvantebits, fordi de skal holde deres system sammenhængende for at kunne bygge hurtigere computere. Kosmologer er interesserede i fysikken i sådanne overgange, fordi de beskriver de tidligste øjeblikke af universet, da det hurtigt udvidede sig og ændrede sig.

"Vores observation sender os ud over det konventionelle billede af sådanne overgange, som videnskabsmænd tog for givet, " sagde Chin.