Fenomenet metastabilitet, där ett system är i ett tillstånd som är stabilt men inte det med minst energi, är allmänt observerad i natur och teknik. Än, många aspekter som ligger bakom mekanismerna som styr beteendet och dynamiken i sådana system förblir outforskade. Fysiker vid ETH Zürich har nu visat en lovande plattform för att studera metastabilitet på en grundläggande nivå, med hjälp av en utsökt välkontrollerad gas bestående av några tiotusentals atomer.

Exempel inkluderar snö på en sluttning i vila dagar innan en lavin, eller bindningar i makromolekyler som förändras dramatiskt vid lämplig aktivering - sådana system vistas under långa tidsperioder i ett tillstånd innan de snabbt växlar till ett annat mer energiskt gynnsamt. Flera aspekter av metastabilitet är väl förstått, men i synnerhet, växlingsdynamiken från ett tillstånd till ett annat förblir okänd, eftersom få verktyg är tillgängliga för att direkt övervaka sådana processer.

Lorenz Hruby och hans kollegor i gruppen av Tilman Esslinger vid Institute for Quantum Electronics har tacklat problemet på en mycket grundläggande nivå, som de rapporterar i en tidning som publicerades denna vecka online i Proceedings of the National Academy of Sciences . De skapade metastabila tillstånd i ett konstgjort kvantsystem med många kroppar, en atomgas vars grundläggande kvantegenskaper är exakt kända och vars beteende de kan kontrollera med hög noggrannhet och flexibilitet. I detta system har Hruby et al. observerade två metastabila tillstånd som kännetecknas av hur atomerna är ordnade, påminner om distinkta strukturer som makromolekyler kan anta. Viktigt, de övervakade framgångsrikt i realtid hur gasen växlade mellan dessa två tillstånd. De upptäckte att under bytesprocessen, flera tusen atomer rör sig genom kvanttunneling på den tidsskala då enskilda partiklar ändrar sin position.

Som utlösaren för den där "tunnellavinen, " teamet identifierade processer på ytan av atomgasen. Jämför de experimentella observationerna med en teoretisk modell, de bestämde att växlingstidsskalan bestäms av interaktioner mellan atomerna själva, snarare än av externa styrparametrar. Centralt i den processen var forskarnas förmåga att låta atomerna interagera samtidigt över både korta (atom-atom) och långa avstånd. Detta tillåter partiklar att engagera sig i intrikat samspel som ger upphov till spännande egenskaper i en mängd olika material och, på samma gång, för att koppla systemets yta till dess kärna.

Studien ger grundläggande insikter i metastabila tillstånd av materia och i processerna för att växla mellan dessa tillstånd. Den höga graden av kontroll som visades i dessa experiment, tillsammans med möjligheten att jämföra experimentella resultat med teoretiska modeller, skulle kunna tillhandahålla en mångsidig plattform för att studera dynamiken i metastabila tillstånd och relaterade processer i oöverträffad detalj.