Forstyrrer krystallinsk orden for at genoprette overflødighed

Hvad hvis du kunne forstyrre den krystallinske rækkefølge af kvantemateriale, så et supervæske kunne flyde frit, selv ved temperaturer og tryk, hvor det normalt ikke gør det? Denne idé er blevet demonstreret af et team af forskere under ledelse af Ludwig Mathey og Andreas Hemmerich fra University of Hamburg.

Frysning af vand indebærer en ændring fra en fase af stof til en anden, kaldes en faseovergang. Mens denne overgang, som utallige andre, der forekommer i naturen, foregår typisk under de samme faste betingelser - i dette tilfælde frysepunktet - det kan blive påvirket på en kontrolleret måde. Fryseovergangen kan kontrolleres for at producere en sorbet eller en slushy. For at gøre en kold og forfriskende slushy med den perfekte konsistens, en slush -maskine med konstant roterende vinger forhindrer vandmolekyler i at krystallisere og gøre slushy til en fast isblok.

Forestil dig at kontrollere kvantemateriale på samme måde. I stedet for at danne en normal væske, som en smeltet slushy under solen, kvantemateriale kan danne en superfluid. Denne kontraintuitive form for stof blev først observeret i flydende helium ved meget lave temperaturer, mindre end to Kelvin over absolut nul. Heliumatomerne har en stærk tendens til at danne en krystal, som vandmolekylerne i en slushy, og dette begrænser heliums superflydende tilstand til meget lave temperaturer og lave tryk.

Men hvad nu hvis du kunne tænde knivene i din slush -maskine for kvantemateriale? Hvad hvis du kunne forstyrre den krystallinske orden, så supervæsken kunne flyde frit, selv ved temperaturer og tryk, hvor det normalt ikke gør det? Dette var den idé, der nu blev demonstreret af et team af forskere under ledelse af Ludwig Mathey og Andreas Hemmerich fra University of Hamburg. De har forstyrret krystallinsk orden i et kvantesystem på en kontrolleret måde ved at skinne lys over det, der oscillerer i tid med en bestemt frekvens. Fysikere bruger udtrykket "kørsel" til at beskrive denne form for periodisk ændring, der finder anvendelse på systemet - en handling udført af knivene i en slushy maskine. Deres arbejde, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , identificeret en grundlæggende mekanisme for, hvordan et typisk system med konkurrerende faser reagerer på en ekstern periodisk kørsel.

Forskerne studerede en gas af kolde atomer placeret mellem to stærkt reflekterende spejle. Spejlene danner et hulrum, der fungerer som en resonator for fotoner, da atomerne spreder dem flere gange, før de opdages i forsøg. For at give en kilde til fotoner, en ekstern pumpelaserstråle er rettet mod atomskyen.

Ligesom vand ændrer sin fase fra væske til is, dette lysstofsystem udviser en kvantefaseovergang. Atomer fra en oprindeligt homogen gas organiserer sig spontant i et skakbrætmønster, når intensiteten af ​​pumpestrålen bliver tilstrækkelig stærk. Selvorganisationen kommer på bekostning af supervæsken, som undertrykkes af den krystallinske orden. Dette er et af de mange eksempler på konkurrence, hvor den ene fase vinder over den anden. Forskerne viser, at med en lille smule "drive" "du kan tippe saldoen til fordel for underdogen - i dette eksempel, superfluidfasen. "Vi observerer fra vores computersimuleringer, at en periodisk modulering af pumpens intensitet kan destabilisere den dominerende selvorganiserede fase, "forklarer hovedforfatter Jayson Cosme." Dette gør det muligt for den tidligere ustabile homogene fase at genopstå, og dette genopretter superfluidet. Det er let induceret superfluiditet. "

Forskerne observerede derefter deres forudsigelse i et eksperiment udført i gruppen af ​​Andreas Hemmerich. "Intuitivt, man kunne forvente, at hvis vi ryster systemet, alt det gør er at varme op. Det var spændende at se en klar signatur på, at kvantevæsken genopstår, ”forklarer Andreas Hemmerich.

Forbedring eller undertrykkelse af en fase på grund af en ekstern drivkraft er også blevet foreslået i andre fysiske systemer. For eksempel, i superledere ved høj temperatur, laserpulser kan smelte ligevægtsdominerende stribet orden, baner vejen for, at superledning kan dukke op-et fænomen, der kaldes lysinduceret superledning. Den grundlæggende mekanisme, der kan hjælpe med at forklare denne proces, er stadig et emne for debat. "Vi foreslog denne form for lysstyring af superfluiditet for at demonstrere det princip, der er blevet antaget for lysinduceret superledning, "forklarer Ludwig Mathey. Med dette fund, kold atomfysik demonstrerer en generel, kontraintuitiv mekanisme til styring af faseovergange i mangekropssystemer. Det åbner et nyt kapitel i solid state fysik, hvor forskere ikke kun måler ligevægtsegenskaber ved stof, men snarere designe en ikke-ligevægtstilstand med ønskede egenskaber via lysstyring.