MIT-fysiker har skapat en ny form av materia, en supersolid, som kombinerar egenskaperna hos fasta ämnen med de hos supervätskor.

Genom att använda laser för att manipulera en superfluid gas känd som ett Bose-Einstein-kondensat, teamet kunde lirka kondensatet till en kvantfas av materia som har en stel struktur – som ett fast ämne – och kan flyta utan viskositet – en nyckelegenskap för en supervätska. Studier av denna till synes motsägelsefulla fas av materia skulle kunna ge djupare insikter om supervätskor och supraledare, som är viktiga för förbättringar av teknologier som supraledande magneter och sensorer, samt effektiv energitransport. Forskarna rapporterar sina resultat denna vecka i tidskriften Natur .

"Det är kontraintuitivt att ha ett material som kombinerar superfluiditet och soliditet, säger teamledaren Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur professor i fysik vid MIT. "Om ditt kaffe var superflytande och du rörde om det, det skulle fortsätta snurra runt för alltid."

Fysiker hade förutspått möjligheten av supersolider men hade inte observerat dem i labbet. De teoretiserade att fast helium kunde bli superfluid om heliumatomer kunde röra sig i en fast heliumkristall, effektivt bli en supersolid. Dock, det experimentella beviset förblev svårfångade.

Teamet använde en kombination av laserkylning och evaporativ kylningsmetoder, ursprungligen samutvecklad av Ketterle, för att kyla natriumatomer till nanokelvintemperaturer. Natriumatomer är kända som bosoner, för deras jämna antal nukleoner och elektroner. När den kyls till nära absolut noll, bosoner bildar ett superfluid tillstånd av utspädd gas, kallas ett Bose-Einstein-kondensat, eller BEC.

Ketterle var med och upptäckte BECs - en upptäckt för vilken han fick 2001 års Nobelpris i fysik.

"Utmaningen var nu att lägga till något till BEC för att se till att den utvecklade en form eller form bortom formen av "atomfällan", ' som är den definierande egenskapen för ett fast ämne, " förklarar Ketterle.

Vänd på snurran, hitta ränderna

För att skapa supersolid state, laget manipulerade rörelsen av atomerna i BEC med laserstrålar, introducerar "spin-omloppskoppling".

I deras ultrahögvakuumkammare, laget använde en första uppsättning lasrar för att omvandla hälften av kondensatets atomer till ett annat kvanttillstånd, eller snurra, skapar i huvudsak en blandning av två Bose-Einstein-kondensat. Ytterligare laserstrålar överförde sedan atomer mellan de två kondensatet, kallas en "snurrflip".

"Dessa extra lasrar gav de "snurrvända" atomerna en extra kick för att realisera spin-omloppskopplingen, " säger Ketterle.

Fysiker hade förutspått att ett spin-orbit-kopplat Bose-Einstein-kondensat skulle vara ett supersolid på grund av en spontan "densitetsmodulering". Som ett kristallint fast ämne, densiteten hos ett supersolid är inte längre konstant och har istället ett krusnings- eller vågliknande mönster som kallas "randfasen".

"Det svåraste var att observera denna densitetsmodulering, säger Junru Li, en MIT-student som arbetade med upptäckten. Denna observation utfördes med en annan laser, vars stråle böjdes av densitetsmoduleringen. "Receptet för supersolid är verkligen enkelt, " tillägger Li, "men det var en stor utmaning att exakt rikta in alla laserstrålar och att få allt stabilt för att observera randfasen."

Kartlägga vad som är möjligt i naturen

För närvarande, supersoliden existerar endast vid extremt låga temperaturer under ultrahöga vakuumförhållanden. Går framåt, teamet planerar att utföra ytterligare experiment på supersolids och spin-orbit koppling, karakterisera och förstå egenskaperna hos den nya form av materia de skapade.

"Med våra kalla atomer, vi kartlägger vad som är möjligt i naturen, " förklarar Ketterle. "Nu när vi experimentellt har bevisat att teorierna som förutsäger supersolider är korrekta, vi hoppas kunna inspirera till ytterligare forskning, möjligen med oväntade resultat."

Flera forskargrupper arbetade med att förverkliga den första supersoliden. I samma nummer av Natur , en grupp i Schweiz rapporterade om ett alternativt sätt att förvandla ett Bose-Einstein-kondensat till ett supersolid med hjälp av speglar, som samlade laserljusspridning av atomerna. "Den samtidiga insikten av två grupper visar hur stort intresset är för denna nya form av materia, säger Ketterle.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.