Solitära vågor – kända som solitoner – förekommer i många former. Den kanske mest kända är tsunamin, som bildas efter en störning på havsbotten och kan färdas, oförminskad, i höga hastigheter i hundratals mil.

Per definition, en soliton behåller sin form samtidigt som den fortplantar sig med konstant hastighet. Men vad händer när två, eller mer, ensamverkan? Den allmänna konsensus från tidigare studier är att solitoner är väsentligen oförändrade av en sådan interaktion och passerar genom varandra, men fysikprofessorn Erich Mueller och doktorand Shovan Dutta har ifrågasatt den uppfattningen i en rapport som just publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Deras papper, "Kollektiva lägen för ett Soliton-tåg i en Fermi Superfluid, " publicerades 29 juni. Båda männen arbetar i Cornell's Laboratory of Atomic and Solid State Physics.

Teamet fann något drastiskt annorlunda för solitoner som interagerar i en supervätska, som bildas när en gas av atomer kyls till nära absolut noll. Inte bara påverkar solitonerna varandra, men de kan till och med kollidera och förstöra varandra.

De senaste experimenten har skapat singel, långlivade solitoner i en supervätska. Dutta och Mueller undersökte teoretiskt interaktionerna inom ett stort antal sådana solitoner i en supervätska, såsom litium-6. Till deras förvåning, Mueller och Dutta upptäckte en instabilitet där par av solitoner kolliderar och förintar varandra. De hittade också en mängd nya kollektiva svängningar av solitonerna.

Instabilitetshastigheten är känslig för separationen av solitoner och interaktionen mellan atomer, som båda kan ställas in i experiment. Dessutom, de fann att instabiliteten kunde förhindras genom att magnetisera gasen – vilket bildar ett exotiskt kvanttillstånd som först diskuterades på 1960-talet i samband med supraledare med magnetiska föroreningar.

Dutta och Mueller började detta arbete med att söka efter supersymmetri i fysik av kondenserad materia; i partikelfysik, teorin om supersymmetri relaterar de två grundläggande klasserna av elementarpartiklar – bosoner och fermioner – och säger att för varje partikel från en grupp, det finns en "superpartner" från den andra.

"En riktning som vi sprang i, Mueller sa, "var att vi trodde att vi hade ett sätt att uttryckligen se denna symmetri [i kondenserad materia]."

Det visade sig inte existera, Mueller sa, men det han och Dutta fann låg till grund för deras papper. När man jämför bosoniska och fermioniska excitationer av supervätskan, de undersökte den kollektiva rörelsen hos en rad solitoner och fann att vågorna – som bildades i väsentligen en dimension – tog på sig flera kollektiva rörelser. Några av dem förväntades, men andra, inklusive instabiliteten, var inte.

De fann också att instabiliteten kunde övervinnas genom magnetisering, som effektivt bildar en obalans, spatialt modulerad superfluid fas – känd som FFLO-tillståndet – som hade diskuterats i teoretiska termer för 50 år sedan men som aldrig direkt realiserats i experiment. Detta öppnar dörren, Dutta sa, att ytterligare studera nya kvanttillstånd och relaterade områden, exotisk supraledning.

"Det har varit en långvarig utmaning för en stor gemenskap av människor, för att skapa detta kvanttillstånd, " han sa, "och våra resultat visar att man direkt kan konstruera det i kalla atomgaser."

Mueller och Dutta har lämnat in ett relaterat dokument om deras protokoll för direkt konstruktion av detta nya kvanttillstånd. Deras arbete breddar vår förståelse av icke-jämviktsdynamiken hos kvantsystem med många kroppar.

"Om du kan fastställa de grundläggande delarna av dynamiken för detta system, som skulle kunna ses som en prototyp för mer komplicerade system, då ger det dig lite förståelse för hur kvantvärlden fungerar, " tillade Dutta.