Todimensionel supersolid kvantegas produceret i laboratoriet for første gang

Kvantemateriale kan være fast og flydende på samme tid - en situation kendt som supersoliditet. Forskere ledet af Francesca Ferlaino har nu for første gang skabt denne fascinerende ejendom langs to dimensioner. De rapporterer nu i journalen Natur om realisering af supersoliditet langs to akser af en ultrakold kvantegas. Eksperimentet giver mange muligheder for yderligere undersøgelse af denne eksotiske tilstand af stof.

Kvantegasser er meget velegnede til at undersøge de mikroskopiske konsekvenser af interaktioner i stof. I dag, forskere kan præcist kontrollere individuelle partikler i ekstremt afkølede gasskyer i laboratoriet, afslørende fænomener, der ikke kan observeres i hverdagens verden. For eksempel, de enkelte atomer i et Bose-Einstein-kondensat er fuldstændig delokaliseret. Det betyder, at det samme atom eksisterer på hvert punkt i kondensatet på et givet tidspunkt. To år siden, forskergruppen ledet af Francesca Ferlaino fra Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck og Institute of Quantum Optics and Quantum Information ved det østrigske videnskabsakademi i Innsbruck formåede for første gang at generere supersolid -tilstande i ultrakølede kvantegasser af magnetiske atomer. Den magnetiske interaktion får atomerne til selv at organisere sig til dråber og ordne sig selv i et regelmæssigt mønster.

"Normalt, du skulle tro, at hvert atom ville blive fundet i en bestemt dråbe, uden mulighed for at komme imellem dem, "siger Matthew Norcia fra Francesca Ferlainos hold." Dog, i supersolid tilstand, hver partikel er delokaliseret på tværs af alle dråberne, eksisterer samtidigt i hver dråbe. Så dybest set, du har et system med en række områder med høj tæthed (dråberne), der alle deler de samme delokaliserede atomer." Denne bizarre formation muliggør effekter såsom friktionsfri strømning på trods af tilstedeværelsen af ​​rumlig orden (superfluiditet).

Nye dimensioner, nye effekter at udforske

Indtil nu, supersolid tilstande i kvantegasser er kun nogensinde blevet observeret som en streng af dråber (langs én dimension). "I samarbejde med teoretikere Luis Santos ved Leibniz Universität Hannover og Russell Bisset i Innsbruck har vi nu udvidet dette fænomen til to dimensioner, giver anledning til systemer med to eller flere rækker af dråber, " forklarer Matthew Norcia. Dette er ikke kun en kvantitativ forbedring, men udvider også forskningsperspektiverne på afgørende vis. "For eksempel, i et todimensionelt supersolid-system, man kan studere, hvordan hvirvler dannes i hullet mellem flere tilstødende dråber, "siger han." Disse teorier, der er beskrevet i teorien, er endnu ikke blevet påvist, men de repræsenterer en vigtig konsekvens af superfluiditet, "Francesca Ferlaino kigger allerede ind i fremtiden. Det eksperiment, der nu rapporteres i tidsskriftet Nature, skaber nye muligheder for yderligere at undersøge den grundlæggende fysik i denne fascinerende tilstand.

Nyt forskningsfelt:Supersolids

Forudsagt for 50 år siden, supersoliditet med dens overraskende egenskaber er blevet undersøgt indgående i superfluid helium. Imidlertid, efter årtiers teoretisk og eksperimentel forskning, et klart bevis på supersoliditet i dette system manglede stadig. To år siden, forskningsgrupper i Pisa, Stuttgart og Innsbruck lykkedes for første gang uafhængigt af hinanden at skabe såkaldte supersolider fra magnetiske atomer i ultrakolde kvantegasser. Grundlaget for det nye, voksende forskningsfelt for supersolider er magnetiske atomers stærke polaritet, hvis interaktionskarakteristika muliggør skabelsen af ​​denne paradoksale kvantemekaniske tilstand af stof i laboratoriet.