Undersøgelse afslører en ny supersolid fase i dipolære Bose-Einstein-kondensater

Generelt, stof findes i tre forskellige former:som et fast stof, en væske eller en gas. Tidligere fysikforskning, imidlertid, har afsløret andre nysgerrige tilstande af stof, hvoraf den ene er supersoliditet. I en supersolid tilstand, partikler er arrangeret i en stiv krystal og kan ikke desto mindre strømme gennem det faste stof uden friktion. Selvom dette kan virke modstridende, denne tilstand er tilladt af kvantemekanikkens love.

Et team af forskere ved Aarhus Universitet i Danmark har for nylig gennemført en undersøgelse af supersoliditet i dipolære Bose-Einstein-kondensater (BEC), materiestater, hvor separate atomer afkølet til nær absolut nul forenes til en enkelt kvantemekanisk enhed. Deres undersøgelse, fremhævet i Fysisk gennemgangsbreve , afslørede et kritisk punkt, hvor krystallisering sker, og en ny supersolid fase dukker op, som er kendetegnet ved et almindeligt honningkagemønster med næsten perfekt superfluiditet.

"Formodet for mere end 50 år siden, supersoliditet er for nylig forblevet undvigende for observationer, hvor nyt løfte gives ved forsøg med meget fortyndede atomergasser, der afkøles og fanges af laserlys ved temperaturer nær absolut nul, "Thomas Pohl, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Under sådanne ekstreme forhold, atomer kan samlet danne et såkaldt Bose-Einstein-kondensat, som er en kvantetilstand, der repræsenterer en ideel friktionsfri superfluid. Imidlertid, man ville naturligvis ikke forvente, at sådan en fortynding, fritflydende væske kan krystallisere. Fascineret af den bizarre karakter af den supersolidiske stat, vi ønskede at forstå, om dette alligevel måske var muligt, hvis atomerne interagerede på en passende måde. "

I begyndelsen af ​​2000'erne, forskere foreslog dipolære Bose Einstein -kondensater dannet af partikler, der, ligesom små magneter, kan tiltrække og frastøde hinanden over betydelige afstande. I deres undersøgelse, Pohl og hans kolleger Yongchang Zhang og Fabian Maucher observerede, at kvanteudsving i sådanne dipolære kondensater kan føre til krystallisering på et kritisk tidspunkt (dvs. et punkt i fasediagrammet, hvor to faser af et stof ikke kan skelnes).

Dette betyder i det væsentlige, at dipolære kondensater kan, faktisk, være supersolid, hvilket er, hvad forskerne havde håbet på, da de begyndte deres undersøgelse. Deres beregninger, imidlertid, gav yderligere overraskelser, specifikt relateret til den måde, hvorpå kvantevæsken krystalliserede.

"Når vi putter en isterning i et glas vand, det vil tage noget tid, indtil det er helt smeltet, "Zhang fortalte Phys.org." Med andre ord, vand kan sameksistere i flydende og fast form under smeltning eller frysning, og denne adfærd er typisk for mange andre stoffer. Til vores overraskelse, vi fandt ud af, at vores supersolid fryser på en ejendommelig måde, hvorved atomerne enten er helt flydende eller helt faste, og væsken og krystallen bliver praktisk talt identiske lige på det tidspunkt, hvor de to faser transformeres uden sameksistens. "

Analyserne udført af Pohl, Zhang og Maucher afslørede en ny form for supersolid, der var ganske anderledes end hvad de oprindeligt havde forventet. I stedet for atomer arrangerer på et typisk gitter, den dipolære kvantevæske viste sig at danne en bikageformet kanalstruktur.

Dog modsat honning, som er en tyktflydende væske, i denne struktur, de dipolære atomer kan bevæge sig frit langs højderygningerne i den superflydende "honningkage". Forskerne fandt denne særegne form for stof, hvor partikler kan flyde hen over et almindeligt netværk, der holdes rent udelukkende af væsken selv og ved næsten nul viskositet, ekstremt fascinerende.

"Vores teoretiske undersøgelse var baseret på analyse og numerisk simulering af den makroskopiske kvantemekaniske bølgefunktion, der beskriver tilstanden af ​​de dipolære atomer i Bose-Einstein-kondensatet, "Fabian Maucher, en anden forsker, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Som påpeget i tidligere arbejde, et særligt vigtigt aspekt er at inkludere kvantemekaniske korrelationer og kvantesvingninger i beskrivelsen. Faktisk, det viser sig, at bikagestoffet og dets usædvanlige fryseadfærd lettes af sådanne kvanteudsving, og ville ikke eksistere ellers. "

Undersøgelsen udført af Pohl, Zhang og Maucher introducerer en ny type supersolid state, hvilken, som deres fund tyder på, kunne spores tilbage til virkningerne af kvantesvingninger i dipolære kondensater. I fremtiden, de planlægger at undersøge disse fund yderligere og udføre flere undersøgelser med fokus på dipolære Bose-Einstein-kondensater. I mellemtiden, andre forskerhold undersøger også adfærden for dipolære kvantevæsker, både i teori og eksperimenter.

"For nylig, tre eksperimentelle grupper fra universitetet i Stuttgart, universitetet i Firenze og universitetet i Innsbruck har uafhængigt observeret dannelsen af ​​supersolid mikronskala kvantedråber opstillet på regelmæssige arrays, "Sagde Zhang." Disse eksperimentelle resultater giver et lovende perspektiv, og det vil være et vigtigt spørgsmål at præcisere under hvilke betingelser vores teoretiske forudsigelser kan observeres med dipolære atomer. Sikkert, dipolære kvantevæsker er blevet en spændende ny platform for supersolid adfærd, der fortsat vil udfordre vores forståelse og afsløre overraskelser og ny indsigt om denne fascinerende kvantetilstand. "

© 2019 Science X Network