Genom att försiktigt framkalla ett virvlande moln av underkylda litiumatomer med ett par lasrar, och observera atomernas svar, forskare på Swinburne har utvecklat ett nytt sätt att undersöka egenskaperna hos kvantmaterial.

Kvantmaterial - en familj som innehåller supervätskor, superledare, exotiska magneter, ultrakylda atomer och nyligen upptäckta "topologiska isolatorer"-visar i stor skala några av de anmärkningsvärda kvanteffekterna som vanligtvis förknippas med mikroskopiska och subatomära partiklar.

Men, medan kvantmekanik förklarar beteendet hos mikroskopiska partiklar, att tillämpa kvantteori på större system är mycket mer utmanande.

"Medan potentialen för kvantmaterial, som superledare, är obestridlig, vi måste fullt ut förstå den underliggande kvantfysiken som spelar i dessa system för att fastställa deras sanna förmågor, "säger Chris Vale, docent vid Center for Quantum and Optical Science, som ledde forskningen. "Det är en stor del av motivationen för det vi gör."

Docent Vale och hans kollegor, inklusive Sascha Hoinka och Paul Dyke, även i Swinburne, utvecklat ett nytt sätt att utforska beteendet hos denna materialfamilj. De upptäckte när en 'Fermigas' av litiumatomer, ett enkelt kvantmaterial, gick in i ett kvant "överflödigt" tillstånd.

Nytt system kontrollerar teorier mot experiment

Deras system gör att teorier om supraledning och relaterade kvanteffekter kan kontrolleras exakt mot experiment, för att se om teorierna är korrekta och hur de skulle kunna förfinas.

Forskarnas framsteg baserades på det faktum att kvantmaterialets speciella egenskaper uppstår när deras ingående partiklar går in i ett synkroniserat tillstånd. Nollmotståndsflödet av elektroner genom supraledare, till exempel, uppstår när elektroner kan gå ihop för att bilda 'Cooper -par'.

Teamets sofistikerade experimentella upplägg gjorde att detta koordinerade kvantbeteende kunde upptäckas. Genom att finjustera interaktionen mellan deras lasrar och Fermi-gasen, Docent Vale och hans kollegor kunde för första gången upptäcka det svårfångade, låg energi Goldstone -läge, en excitation som bara visas i system som har gått in i ett synkroniserat kvanttillstånd.

"Eftersom vårt experiment ger en välkontrollerad miljö och utseendet på Goldstone-läget är mycket tydligt, våra mätningar ger ett riktmärke som kvantteorier kan testas mot innan de tillämpas på mer komplexa system som superledare, "Docent Vale säger.

"Genom att utveckla metoder för att förstå stora system som beter sig kvantemekaniskt, vi bygger den kunskapsbas som kommer att ligga till grund för framtida kvantaktiverade tekniker. "

Teamets forskning har publicerats i onlinetidsskriften Naturfysik .