Ny tilstand af stof i endimensionel kvantegas

Som historien går, den græske matematiker og tinkerer Archimedes stødte på en opfindelse, da han rejste gennem det gamle Egypten, som senere skulle bære hans navn. Det var en maskine bestående af en skrue inde i et hul rør, der fangede og trak vand ved rotation. Nu, forskere ledet af Stanford University fysiker Benjamin Lev har udviklet en kvanteversion af Archimedes 'skrue, der, i stedet for vand, transporterer skrøbelige samlinger af gasatomer til højere og højere energitilstande uden at kollapse. Deres opdagelse er detaljeret i et papir, der blev offentliggjort 14. januar i Videnskab .

"Min forventning til vores system var, at gasens stabilitet kun ville ændre sig lidt, sagde Lev, som er lektor i anvendt fysik og fysik på School of Humanities and Sciences i Stanford. ”Jeg havde ikke forventet, at jeg ville se en dramatisk, fuldstændig stabilisering af det. Det var ud over min vildeste opfattelse. "

Langs vejen, forskerne observerede også udviklingen af ​​ar -tilstande - ekstremt sjældne baner af partikler i et ellers kaotisk kvantesystem, hvor partiklerne gentagne gange sporer deres skridt som spor, der overlapper hinanden i skoven. Scar -stater er af særlig interesse, fordi de kan tilbyde et beskyttet tilflugtssted for information, der er kodet i et kvantesystem. Eksistensen af ​​ar-tilstande i et kvantesystem med mange interagerende partikler-kendt som et kvante-mange-kropssystem-er først for nylig blevet bekræftet. Stanford-eksperimentet er det første eksempel på ar-tilstanden i en kvantegas med mange krop og kun den anden nogensinde i virkeligheden, der ser fænomenet.

Super og stabil

Lev har specialiseret sig i eksperimenter, der udvider vores forståelse af, hvordan forskellige dele af et kvantemultykroppssystem sætter sig i den samme temperatur eller termiske ligevægt. Dette er et spændende undersøgelsesområde, fordi modstand mod denne såkaldte "termalisering" er nøglen til at skabe stabile kvantesystemer, der kan drive nye teknologier, såsom kvantecomputere.

I dette eksperiment, teamet undersøgte, hvad der ville ske, hvis de justerede et meget usædvanligt eksperimentelt system med mange organer, kaldet en super Tonks-Girardeau gas. Disse er meget ophidsede endimensionelle kvantegasser-atomer i en gasformig tilstand, der er begrænset til en enkelt bevægelseslinje-der er blevet afstemt på en sådan måde, at deres atomer udvikler ekstremt stærke attraktionskræfter til hinanden. Det super ved dem er, at selv under ekstreme kræfter, de skulle teoretisk set ikke falde sammen til en kugellignende masse (som normale attraktive gasser vil). Imidlertid, i praksis, de falder sammen på grund af eksperimentelle ufuldkommenheder. Lev, der har en forkærlighed for det stærkt magnetiske element dysprosium, spekulerede på, hvad der ville ske, hvis han og hans elever skabte en super Tonks-Girardeau-gas med dysprosiumatomer og ændrede deres magnetiske orientering 'bare så.' Måske ville de modstå kollaps bare en lille smule bedre end ikke -magnetiske gasser?

"De magnetiske interaktioner, vi var i stand til at tilføje, var meget svage i forhold til de attraktive interaktioner, der allerede findes i gassen. Så, vores forventninger var, at ikke meget ville ændre sig. Vi troede, at det stadig ville kollapse, bare ikke helt så let. "sagde Lev, som også er medlem af Stanford Ginzton Lab og Q-FARM. "Wow, tog vi fejl. "

Deres dysprosium-variation endte med at producere en super Tonks-Girardeau-gas, der forblev stabil uanset hvad. Forskerne vendte atomgassen mellem de attraktive og frastødende forhold, løfte eller "skrue" systemet til højere og højere energitilstande, men atomerne kollapsede stadig ikke.

Bygger fra fundamentet

Selvom der ikke umiddelbart findes praktiske anvendelser af deres opdagelse, Lev -laboratoriet og deres kolleger udvikler den videnskab, der er nødvendig for at drive den kvanteteknologiske revolution, som mange forudsiger kommer. For nu, sagde Lev, fysikken i kvante mange-kropssystemer ude af ligevægt forbliver konsekvent overraskende.

"Der er endnu ingen lærebog på hylden, som du kan trække af for at fortælle dig, hvordan du bygger din egen kvantefabrik, "sagde han." Hvis du sammenligner kvantevidenskab med, hvor vi var, da vi opdagede, hvad vi havde brug for at vide for at bygge kemiske anlæg, sige, det er som om, vi udfører slutningen af ​​det 19. århundrede lige nu. "

Disse forskere er kun begyndt at undersøge de mange spørgsmål, de har om deres kvante Archimedes 'skrue, herunder hvordan man matematisk beskriver disse artilstande, og hvis systemet ikke termaliserer - hvilket det i sidste ende skal - hvordan det foregår. Mere med det samme, de planlægger at måle momentum for atomerne i arstaterne for at begynde at udvikle en solid teori om, hvorfor deres system opfører sig som det gør.

Resultaterne af dette eksperiment var så uventede, at Lev siger, at han ikke stærkt kan forudsige, hvilken ny viden der kommer fra en dybere inspektion af kvante Archimedes 'skrue. Men det, han påpeger, er måske eksperimenterende når det er bedst.

"Dette er en af ​​de få gange i mit liv, hvor jeg faktisk har arbejdet på et eksperiment, der virkelig var eksperimentelt og ikke var en demonstration af eksisterende teori. Jeg vidste ikke, hvad svaret ville være på forhånd, "sagde Lev." Så fandt vi noget, der virkelig var nyt og uventet, og som får mig til at sige:'Yay eksperimentelister!' "