Figur 1:Densitetsprofil för två superfluidkomponenter som antingen blandas (vänster) eller inte blandas (höger). I en roterande supervätska med två komponenter som är blandbara, eller blandbar, ämnet kommer att fördelas jämnt i den munkformade behållaren. Detta är samma densitetsprofil som ses i en roterande, enkomponents superfluid. När de två komponenterna är oblandbara, eller inte kan blandas, de kommer att separera från varandra och bilda två halvcirkelklumpar på motsatta sidor. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
Kvantvärlden är både elegant och mystisk. Det är en sfär av tillvaro där fysikens lagar som upplevs i vardagen är brutna - partiklar kan existera på två ställen samtidigt, de kan reagera på varandra över stora avstånd, och de själva verkar förvirrade över om de är partiklar eller vågor. För de som inte är involverade i fältet, denna värld kan verka obetydlig, men nyligen, forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har teoretiskt beskrivit två kvanttillstånd som är extraordinära både i fysiken som definierar dem och deras visuella tilltal:ett komplext kvantsystem som simulerar klassisk fysik och ett trollbindande halsbandsliknande tillstånd . Deras studie publiceras i tidskriften Fysisk granskning A .
Jakten på dessa stater börjar med en munk, eller snarare, en munkformad behållare som innehåller en roterande supervätska. Denna övervätska, som är en vätska som rör sig utan friktion, är gjord av Bose-Einstein-kondensat (BEC) som består av partiklar utan laddning som kyls till nära noll grader kelvin, en temperatur så kall, att det inte existerar i universum utanför laboratorier. Vid denna temperatur, partiklar börjar uppvisa konstiga egenskaper - de klumpar ihop sig, och så småningom blir omöjliga att skilja från varandra. I själva verket, de blir en enda enhet och rör sig därmed som en.
Eftersom denna virvlande BEC-supervätska arbetar i kvantskala, där små avstånd och låga temperaturer råder, de fysiska egenskaperna hos dess rotation är inte de som ses i den klassiska världen. Tänk på en pappa som svänger runt sin dotter i en cirkel vid armarna. Klassisk fysik kräver att barnets ben rör sig snabbare än hennes händer runt cirkeln, eftersom hennes ben måste resa längre för att göra en hel sväng.
I kvantfysikens värld är förhållandet det motsatta. "I en supervätska ... går saker som är väldigt långt borta [från centrum] väldigt långsamt, medan saker [som] är nära centrum rör sig mycket snabbt, " förklarar OIST-professor Thomas Busch, en av forskarna som är involverade i studien. Detta är vad som händer i den superfluid munken.
Dessutom, superfluiden inuti munken visar en enhetlig densitetsprofil, vilket innebär att den fördelas jämnt runt munken. Detta skulle vara detsamma för de flesta vätskor som roterar via klassiska eller kvantregler. Men vad händer om en annan typ av BEC läggs till, en som är gjord av en annan atomart och som inte kan blandas med den ursprungliga BEC? Som olja och vatten, de två komponenterna separeras på ett sätt som minimerar området där de berörs och bildar två halvcirklar på motsatta sidor av munkbehållaren.
Bild 2:Olika versioner av det ultrakalla kvanthalsbandet. Antalet pärlor i kvanthalsbandet beror på styrkan hos spin-orbit-kopplingen. En starkare koppling ger fler pärlor, och numret måste alltid vara udda.
"Den kortaste gränsen [mellan komponenterna] är i radiell riktning, "Dr Angela White, första författare på studien, förklarar. De två komponenterna separeras i olika halvor av munken längs denna gräns, som skapas genom att passera genom munkens radie. I den här konfigurationen, de kommer att använda mindre energi för att förbli separerade än de skulle göra via någon annan.
I det oblandbara, eller oblandbar, konfiguration som visas i figur 1, kvantvärlden överraskar. Eftersom gränsen mellan de två superfluiderna måste förbli i linje längs den radiella riktningen, superfluiden som finns vid denna gräns måste rotera som ett klassiskt föremål. Detta händer för att upprätthålla det lågenergitillståndet. Om supervätskorna vid gränsen fortsatte att rotera snabbare på insidan, då skulle de två halvcirklarna börja vrida sig, att förlänga linjen som skiljer dem åt, och därmed kräver mer energi för att hålla sig åtskilda. Resultatet är en sorts klassisk fysikmimik, där systemet verkar hoppa in i det klassiska riket, underlättas av komplext kvantmekaniskt beteende.
I detta skede, den superfluid munken har nått sitt första extraordinära tillstånd som är ett som efterliknar klassisk rotation. Men det behövs ytterligare ett steg för att omvandla detta redan förbluffande system till halsbandets slutmål:spin-orbit-koppling.
"På ett mycket abstrakt sätt, [spin är] bara en sak som har två möjliga tillstånd, Busch förklarar. "Det kan vara så här eller så." För detta experiment, som involverar partiklar som inte har någon laddning, eller inget snurr, forskarna "förfalskade" ett snurr genom att tilldela en "det här eller det" egenskapen till sina partiklar.
När man kopplar partiklarna baserat på denna egenskap, de två halvcirklarna inuti munken bryts upp i flera omväxlande delar, bildar således halsbandskonfigurationen (Figur 2). Genom att gräva vidare i dess sammansättning, forskarna fann att antalet "pärlor" i halsbandet beror på styrkan hos spin-orbit-kopplingen och, mer överraskande, att det alltid måste finnas ett udda antal av dessa pärlor.
Forskare har förutspått kvanthalsband tidigare, men de var kända för att vara instabila - expanderar eller försvinner till glömska bara en kort tid efter att de skapats. I denna teoretiska modell, OIST-forskarna tror att de har hittat ett sätt att skapa ett stabilt halsband, en som skulle ge mer tid att studera den och uppskatta dess raffinerade majestät.
