Forvandling af vand til is i kvanteriget (Opdatering)

Når du sætter en bakke vand ind i fryseren, du får isterninger. Nu, forskere fra University of Colorado Boulder og University of Toronto har opnået en lignende overgang ved hjælp af skyer af ultrakolde atomer.

I en undersøgelse, der vises 2. august i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , holdet opdagede, at det kunne skubbe disse kvantematerialer til at gennemgå overgange mellem "dynamiske faser" - i det væsentlige, at hoppe mellem to tilstande, hvor atomerne opfører sig på helt forskellige måder.

"Dette sker brat, og det ligner de faseovergange, vi ser i systemer som vand, der bliver til is, " sagde undersøgelsens medforfatter Ana Maria Rey. "Men i modsætning til den bakke med isterninger i fryseren, disse faser eksisterer ikke i ligevægt. I stedet, atomer skifter og udvikler sig konstant over tid."

Fundene, tilføjede hun, give et nyt vindue til materialer, der er svære at undersøge i laboratoriet.

"Hvis du vil, for eksempel, designe et kvantekommunikationssystem til at sende signaler fra et sted til et andet, alt vil være ude af ligevægt, " sagde Rey, en stipendiat ved JILA, et fælles institut mellem CU Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST). "Sådan dynamik vil være nøgleproblemet at forstå, hvis vi ønsker at anvende det, vi kender til kvanteteknologier."

Forskere har tidligere observeret lignende overgange i ultrakolde atomer, men kun blandt et par dusin ladede atomer, eller ioner.

Rey og hendes kolleger, i modsætning, vendte sig til skyer bestående af titusindvis af uladede, eller neutral, fermioniske atomer. Fermioniske atomer, hun sagde, er de indadvendte i grundstoffernes periodiske system. De ønsker ikke at dele deres rum med deres andre atomer, hvilket kan gøre dem sværere at kontrollere i kolde atomlaboratorier.

"Vi vandrede virkelig i et nyt territorium uden at vide, hvad vi ville finde, " sagde studiemedforfatter Joseph Thywissen, professor i fysik ved University of Toronto.

For at navigere i det nye område, forskerne udnyttede de svage interaktioner, der forekommer mellem neutrale atomer - men kun når disse atomer støder ind i hinanden i et begrænset rum.

Først, Thywissen og hans team i Canada afkølede en gas bestående af neutrale kaliumatomer til kun en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt. Næste, de indstillede atomerne, så deres "spin" alle pegede i samme retning.

Sådanne spins er en naturlig egenskab for alle atomer, Thywissen forklarede, lidt ligesom Jordens magnetfelt, som i øjeblikket peger mod nord.

Når atomerne alle stod i formation, gruppen tilpassede dem derefter for at ændre, hvor stærkt de interagerede med hinanden. Og det var der, det sjove begyndte.

"Vi kørte eksperimentet ved hjælp af en slags magnetfelt, og atomerne dansede på én måde, sagde Thywissen. Senere, vi kørte eksperimentet igen med et andet magnetfelt, og atomerne dansede på en helt anden måde."

I den første dans - eller da atomerne næsten ikke interagerede overhovedet - faldt disse partikler i kaos. De atomare spins begyndte at rotere i deres egen hastighed og pegede hurtigt alle i forskellige retninger.

Tænk på det som at stå i et rum fyldt med tusindvis af ure med sekundvisere, der alle tikker i forskellige tempo.

Men det var kun en del af historien. Når gruppen øgede styrken af ​​vekselvirkningerne mellem atomer, de holdt op med at opføre sig som uordnede individer og mere som et kollektiv. Deres spins tikkede stadig, med andre ord, men de tikkede synkront.

I denne synkrone fase, "atomerne er ikke længere uafhængige, " sagde Peiru He, en kandidatstuderende i fysik ved CU Boulder og en af ​​hovedforfatterne til det nye papir. "De mærker hinanden, og interaktionerne vil få dem til at tilpasse sig hinanden."

Med de rigtige justeringer, gruppen opdagede også, at den kunne noget andet:skrue tiden tilbage, får både de synkroniserede og uordnede faser til at vende tilbage til deres oprindelige tilstand.

Til sidst, forskerne var kun i stand til at opretholde de to forskellige dynamiske faser af stof i omkring 0,2 sekunder. Hvis de kan øge den tid, Han sagde, de kan måske gøre endnu mere interessante observationer.

"For at se rigere fysik, vi må nok vente længere, " Han sagde.