Ny forskning utförd vid University of Chicago har bekräftat en decennier gammal teori som beskriver dynamiken i kontinuerliga fasövergångar.

Resultaten, publicerad i 4 november -numret av Vetenskap , ge den första tydliga demonstrationen av Kibble-Zurek-mekanismen för en kvantfasövergång i både rum och tid. Professor Cheng Chin och hans team av UChicago -fysiker observerade övergången i gasformiga cesiumatomer vid temperaturer nära absolut noll.

I en fasövergång, materia ändrar form och egenskaper som vid övergångar från fast till flytande (t.ex. is till vatten) eller från vätska till gas (t.ex. vatten till ånga). De är kända som första ordningens fasövergångar.

En kontinuerlig fasövergång, eller andra ordningens övergång, bildar defekter - såsom domänväggar, kosmiska strängar och texturer - där en del av saken sitter fast mellan regioner i olika tillstånd. Kibble-Zurek-mekanismen förutspår hur sådana defekter och komplexa strukturer kommer att bildas i rum och tid när ett fysiskt system går igenom en kontinuerlig fasövergång. Exempel på kontinuerliga fasövergångar inkluderar den spontana symmetribrytningen i det tidiga universum och, i fallet med experimentet från Chins team, en ferromagnetisk fasövergång i gasformiga cesiumatomer.

"Vi studerar fasövergångar eftersom det är en av de mest grundläggande frågorna som undrar oss, sa Chin, medförfattare till tidningen. "Vad är ursprunget till universums komplexa struktur, hur uppstår brister och hur utvecklar identiska material distinkta egenskaper över tiden? "

Kosmologer som studerar ursprunget, Evolution, universums struktur och framtid funderar också över fasövergångar i material eftersom det informerar deras förståelse om vad som hände genom universums historia - särskilt under dess bildande.

"Det vi lär oss av att testa KZM i vårt system handlar inte om universums ursprung, "Sade Chin." Det handlar snarare om hur komplex struktur utvecklas genom en övergång. Det här är två olika men relaterade frågor. Du kan fråga:"Var kommer snön ifrån?" eller "Varför har snöflingor en vacker kristallstruktur?" Vår undersökning handlar mer om den andra frågan. "

Experimentets resultat kan tillämpas på många system - till exempel flytande kristaller, superfluid helium eller till och med cellmembran - som går igenom liknande kontinuerliga fasövergångar. "Alla borde dela samma rymd-tids skalningssymmetri som vi såg här, "sa Logan Clark, en doktorand i fysik i UChicago och första författare till uppsatsen.

I experimentet, en ånga av cesiumatomer kyldes med laserstrålar, därigenom skapas en kvant cesiumgas. Ytterligare laserstrålar användes för att skapa ett optiskt gitter som ställde upp gasatomer i mönster. Ljudvågor användes för att skaka det optiska gitteret och driva atomerna över en kontinuerlig, ferromagnetisk kvantfasövergång. Detta fick dem att dela sig in i olika domäner med antingen positiv eller negativ fart. Forskarna fann att strukturen för de resulterande domänerna överensstämde med vad Kibble-Zurek-mekanismen skulle ha förutsagt.

"Kvantgasen som passerar fasövergången i det optiska gitteret i vårt experiment är analogt med hela det tidiga universum som korsar en fasövergång, "Clark sa." Alla system som genomgår en kontinuerlig fasövergång bör dela de egenskaper vi såg i vårt experiment. "

Mönstren som bildades berodde på hur snabbt mängden skakningar ökade, sa Lei Feng, en doktorand i fysik i UChicago och medförfattare till uppsatsen. "Ju snabbare skakningen ökade, desto mindre domäner. Atomens momentum i olika delar av vätskan var synlig genom mikroskopet, så vi kunde se hur stora domänerna var och räkna antalet defekter mellan dem. "

Erich Mueller, professor i fysik vid Cornell University som är insatt i forskningen, beskrev resultaten som "en anmärkningsvärd demonstration av fysikens universalitet."

"Samma teori som används för att förklara strukturen i det tidiga universum förklarar också strukturen i de kalla gaserna" som används i deras experiment, sa Mueller, som inte deltog i studien.

Arbetet bidrar till den grundläggande förståelsen av fysik, Sade Chin. "Medan kosmologer fortfarande letar efter bevis för Kibble-Zurek-mekanismen, vårt team såg det faktiskt i vårt labb i prover av atomer vid extremt låga temperaturer.

"Vi är på rätt väg för att undersöka andra spännande kosmologiska fenomen, inte bara med ett teleskop, men också med ett mikroskop, "avslutade han.