När materia kyls till nära absolut noll, spännande fenomen dyker upp. Dessa inkluderar supersoliditet, där kristallin struktur och friktionsfritt flöde sker tillsammans. ETH -forskare har lyckats förverkliga detta konstiga tillstånd experimentellt för första gången.

Fast, vätska eller gas är materiens tre klart definierade tillstånd. Det är svårt att föreställa sig att ämnen samtidigt kan uppvisa egenskaper hos två av dessa tillstånd. Än, just ett sådant fenomen är möjligt inom kvantfysikens område, där materia kan visa beteenden som verkar ömsesidigt uteslutande.

Supersoliditet är ett exempel på ett sådant paradoxalt tillstånd. I ett supersolid, atomer är arrangerade i ett kristallint mönster samtidigt som de beter sig som en supervätska, där partiklar rör sig utan friktion.

Tills nu, supersoliditet var bara en teoretisk konstruktion. Men i det senaste numret av Natur , en grupp forskare under ledning av Tilman Esslinger, professor i kvantoptik vid Institute for Quantum Electronics, och Tobias Donner, senior forskare vid samma institut, rapportera framgångsrik produktion av en supersolid stat.

Forskarna introducerade en liten mängd rubidiumgas i en vakuumkammare och kylde den till en temperatur på några miljarder av en kelvin över absolut noll, sådan att atomerna kondenseras till det som kallas ett Bose-Einstein-kondensat. Detta är ett märkligt kvantmekaniskt tillstånd som beter sig som en supervätska.

Forskarna placerade detta kondensat i en enhet med två skärande optiska resonanskammare, var och en består av två små motsatta speglar. Kondensatet belystes sedan med laserljus, som var utspridda i båda dessa två kamrar. Kombinationen av dessa två ljusfält i resonanskamrarna fick atomerna i kondensatet att anta en regelbunden, kristallliknande struktur. Kondensatet behöll sina överflödiga egenskaper - atomerna i kondensatet kunde fortfarande flöda utan någon energitillförsel, åtminstone åt ett håll, vilket inte är möjligt i ett "normalt" fast ämne.

"Vi kunde producera detta speciella tillstånd i labbet tack vare en sofistikerad installation som gjorde att vi kunde göra de två resonanskamrarna identiska för atomerna, "förklarar Esslinger.

Från teoretiskt koncept till experimentell verklighet

Med deras experiment, fysikerna i Esslinger och Donner -teamet insåg ett koncept som teoretiserats av forskare, inklusive den brittiske fysikern David Thouless. 1969, han postulerade att en supervätska också kunde ha en kristallin struktur. Teoretiska överväganden ledde till slutsatsen att detta fenomen lättast kunde demonstreras med helium kylt till bara några kelvin över absolut noll. År 2004, en amerikansk grupp rapporterade att de hade hittat experimentella bevis för en sådan stat, men senare hänförde sina fynd till yteffekter av helium. "Vårt arbete har nu framgångsrikt genomfört Thouless idéer, "förklarar Donner." Vi använde inte helium, dock, men ett Bose -Einstein -kondensat. "

En sekund, oberoende studie om samma ämne förekommer i samma nummer av Natur :en grupp forskare under ledning av Wolfgang Ketterle vid MIT meddelade i höstas - strax efter forskarna vid ETH - att de också hade lyckats hitta bevis på supersoliditet, med ett annat experimentellt tillvägagångssätt.