I experiment med magnetiska atomer utförda vid extremt låga temperaturer, forskare har visat en unik fas av materia:atomerna bildar en ny typ av kvantvätska eller kvantdroppstillstånd. Dessa så kallade kvantdroppar kan bevara sin form i frånvaro av yttre inneslutning på grund av kvanteffekter. Det gemensamma teamet av experimentella fysiker från Innsbruck och teoretiska fysiker från Hannover rapporterar om sina fynd i tidskriften Fysisk granskning X .

"Våra kvantdroppar är i gasfasen men de faller fortfarande som en sten, " förklarar experimentfysikern Francesca Ferlaino när han talar om det fascinerande experimentet. I laboratoriet, hennes team observerade hur makrodroppar bildades i en kvantgas. Forskarna blev förvånade över att finna att kvantdropparna hölls samman nästan utan yttre ingrepp och enbart av kvanteffekter. Denna upptäckt av forskargruppen i Innsbruck, och ett liknande arbete utfört samtidigt av en forskargrupp från universitetet i Stuttgart som arbetar med det magnetiska elementet dysprosium, öppnar upp ett helt nytt forskningsområde inom området ultrakalla kvantgaser.

I sitt experiment producerade forskarna ett Bose-Einstein-kondensat av erbiumatomer vid extremt låga temperaturer i en vakuumkammare. De kontrollerade sedan partikelinteraktionen genom att använda ett externt magnetfält. De unika egenskaperna hos magnetiska atomer tillät att undertrycka regelbundna interaktioner upp till en sådan grad att kvantkorrelationer blev drivkraften. Med sitt team har Ferlaino kunnat bevisa att kvantfluktuationer leder till en effektiv repulsion av partiklar som ger den nödvändiga ytspänningen för att stabilisera en kvantdroppe mot kollaps. "I vårt experiment har vi, för första gången, realiserade en kontrollerad crossover från ett Bose-Einstein-kondensat, som beter sig som en superfluid gas, till en enda gigantisk vätskeliknande kvantdroppe på 20, 000 atomer, " förklarar experimentell fysiker och första författare till studien Lauriane Chomaz. Tack vare utsökt kontroll av de interatomära interaktionerna i experimentet, fysikerna kunde definitivt bevisa vikten av kvantfluktuationer genom att jämföra deras experimentella data med teorin som utvecklats av Luis Santos forskargrupp vid universitetet i Hannover.

Den utmärkta överensstämmelsen mellan teori och experiment avslöjade rollen av kvantfluktuationer tillsammans med de kontraintuitiva egenskaperna hos denna nya fas av materia, som kan hittas mellan gasformiga Bose-Einstein-kondensat och flytande superfluid helium. Ytterligare undersökningar av detta dropptillstånd kan bidra till att öka vår kunskap om superfluiditet. Vid sidan av helium, en kvantdroppe är det enda kända superfluidsystemet av vätsketyp. Ultrakalla kvantgaser erbjuder en unik och perfekt plattform för att studera detta fenomen på grund av deras höga renhet och avstämbarhet. I längden, denna fas av materia kan leda till nya insikter som är relevanta för studier av supersoliditet, som är superflytande kondenserad materia.