Beherskelse af metastabilt stof

Fænomenet metastabilitet, hvor et system er i en tilstand, der er stabil, men ikke den af ​​mindst energi, er bredt observeret i natur og teknologi. Endnu, mange aspekter, der ligger til grund for mekanismerne for adfærd og dynamik i sådanne systemer, forbliver uudforskede. Fysikere ved ETH Zürich har nu demonstreret en lovende platform for at studere metastabilitet på et grundlæggende niveau, ved hjælp af en udsøgt velkontrolleret gas bestående af et par ti tusinder af atomer.

Eksempler omfatter sne på en skråning i hvile i dage før en lavine, eller bindinger i makromolekyler, der ændres dramatisk ved passende aktivering - sådanne systemer opholder sig i længere perioder i en tilstand, før de hurtigt skifter til en anden mere energisk gunstig. Flere aspekter af metastabilitet er godt forstået, men især, skifte dynamikken fra en tilstand til en anden forbliver ukendt, da få værktøjer er tilgængelige til direkte at overvåge sådanne processer.

Lorenz Hruby og hans kolleger i gruppen af ​​Tilman Esslinger på Institute for Quantum Electronics har tacklet problemet på et meget grundlæggende niveau, som de rapporterer i et papir, der blev offentliggjort i denne uge online i Procedurer fra National Academy of Sciences . De skabte metastabile tilstande i et kunstigt kvante-fler-kropssystem, en atomgas, hvis grundlæggende kvanteegenskaber præcist kendes, og hvis adfærd de kan kontrollere med høj nøjagtighed og fleksibilitet. I dette system Hruby et al. observerede to metastabile tilstande karakteriseret ved, hvordan atomerne er ordnet, minder om forskellige strukturer, som makromolekyler kan vedtage. Vigtigere, de fulgte med succes i realtid, hvordan gassen skiftede mellem disse to tilstande. De fandt ud af, at under skifteprocessen, flere tusinde atomer bevæger sig gennem kvantetunnel på den tidsplan, hvor enkeltpartikler ændrer deres position.

Som udløser for den "tunneling lavine, "teamet identificerede processer på overfladen af ​​atomgassen. Sammenligning af de eksperimentelle observationer med en teoretisk model, de fastslog, at skiftetidspunktet er sat af interaktioner mellem atomerne selv, frem for eksterne parametre. Centralt i denne proces var forskernes evne til at lade atomerne interagere samtidigt over både korte (atom-atom) og lange afstande. Dette gør det muligt for partikler at engagere sig i indviklede samspil, der giver anledning til spændende egenskaber i en lang række materialer og, på samme tid, at koble systemets overflade til dets kerne.

Undersøgelsen giver grundlæggende indsigt i metastabile materielle tilstande og i processerne til at skifte mellem disse tilstande. Den høje grad af kontrol demonstreret i disse forsøg, sammen med muligheden for at sammenligne eksperimentelle resultater med teoretiske modeller, kunne give en alsidig platform til at studere dynamikken i metastabile tilstande og relaterede processer i enestående detaljer.