Fysikere observerer fremkomsten af ​​kollektiv adfærd

Faseovergange beskriver dramatiske ændringer i egenskaber ved et makroskopisk system - som overgangen fra en væske til en gas. Ud fra individuelle ultrakølede atomer, Heidelberg Universitets fysikere var i stand til at observere fremkomsten af ​​en sådan overgang med et stigende antal partikler. Forskningsarbejdet blev udført inden for kvantefysik under ledelse af professor Dr. Selim Jochim fra Institute for Physics.

For at formulere effektive teorier inden for fysik, mikroskopiske detaljer afsættes til fordel for makroskopisk observerbare mængder. En kop vand kan beskrives ved egenskaber som tryk, temperatur og tæthed af væsken, der henviser til, at placeringen og hastigheden af ​​de enkelte vandmolekyler ikke er relevant. En faseovergang beskriver ændringen af ​​et makroskopisk system fra en materiel tilstand, som væske, til en anden tilstand, som gasformig. Egenskaberne ved makroskopiske systemer-såkaldte mangekropssystemer-kan beskrives som nye, fordi de skyldes interaktion mellem individuelle komponenter, som ikke selv besidder disse egenskaber.

"Jeg har længe været interesseret i, hvordan denne dramatiske makroskopiske ændring ved en faseovergang stammer fra den mikroskopiske beskrivelse, "siger Selim Jochim. For at besvare dette spørgsmål, forskerne designede et eksperiment, hvor de sammensatte et system fra individuelle ultrakølede atomer. Ved hjælp af denne kvantesimulator, de undersøgte, hvordan kollektiv adfærd opstår i et mikroskopisk system. Til denne ende, de fangede op til tolv atomer i en tæt fokuseret laserstråle. I dette kunstige system er det muligt kontinuerligt at indstille interaktionsstyrken mellem atomerne fra ikke-interagerende til at være den største energiskala i systemet. "På den ene side, antallet af partikler i systemet er lille nok til at beskrive systemet mikroskopisk. På den anden side, kollektive effekter er allerede tydelige, "forklarer Luca Bayha, en postdoc i prof. Jochims team.

I deres eksperiment, Heidelberg -fysikerne konfigurerede kvantesimulatoren således, at atomerne tiltrækker hinanden, og hvis attraktionen er stærk nok, danne par. Disse par atomer er den nødvendige ingrediens for en faseovergang til et superfluid - en tilstand, hvor partiklerne flyder uden friktion. De nuværende eksperimenter fokuserede på, hvornår pardannelsen fremstår som en funktion af interaktionsstyrken og partikelnummeret. "Det overraskende resultat af vores eksperiment er, at kun seks atomer viser alle signaturer af en faseovergang, der forventes for et mangepartikelsystem, tilføjer Marvin Holten, en doktorand i prof. Jochims gruppe.