Tänk om du kunde störa den kristallina ordningen av kvantmateria så att en supervätska kunde flöda fritt även vid temperaturer och tryck där den vanligtvis inte gör det? Denna idé har demonstrerats av ett team av vetenskapsmän ledda av Ludwig Mathey och Andreas Hemmerich från universitetet i Hamburg.

Frysning av vatten innebär en förändring från en fas av materia till en annan, kallas en fasövergång. Medan denna övergång, som otaliga andra som förekommer i naturen, sker vanligtvis vid samma fasta villkor - i det här fallet, fryspunkten - den kan påverkas på ett kontrollerat sätt. Frysövergången kan kontrolleras för att producera en sorbet eller en slushy. För att göra en kall och uppfriskande slushy med perfekt konsistens, en slushmaskin med ständigt roterande blad förhindrar vattenmolekyler från att kristallisera och förvandla slushen till ett fast isblock.

Tänk dig att styra kvantämnet på samma sätt. Istället för att bilda en normal vätska, som en smält slushy under solen, kvantämne kan bilda en supervätska. Denna kontraintuitiva form av materia observerades först i flytande helium vid mycket låga temperaturer, mindre än två Kelvin över absolut noll. Heliumatomerna har en stark tendens att bilda en kristall, som vattenmolekylerna i en slushy, och detta begränsar heliumets överflödiga tillstånd till mycket låga temperaturer och låga tryck.

Men tänk om du kunde slå på bladen i din slushmaskin för kvantämne? Tänk om du kunde störa den kristallina ordningen så att supervätskan kunde flöda fritt, även vid temperaturer och tryck där det vanligtvis inte gör det? Detta var tanken som nu demonstrerades av ett team av forskare under ledning av Ludwig Mathey och Andreas Hemmerich från Hamburgs universitet. De har stört kristallin ordning i ett kvantsystem på ett kontrollerat sätt genom att skina ljus på det som oscillerar i tid vid en specifik frekvens. Fysiker använder termen "körning" för att beskriva den här typen av periodiska förändringar som tillämpas på systemet - en åtgärd som utförs av knivarna i en slushy maskin. Deras arbete, publicerad i Fysiska granskningsbrev , identifierat en grundläggande mekanism för hur ett typiskt system med konkurrerande faser svarar på en extern periodisk körning.

Forskarna studerade en gas av kalla atomer placerade mellan två starkt reflekterande speglar. Speglarna bildar en hålighet som fungerar som en resonator för fotoner när atomerna sprider dem flera gånger innan de upptäcks i experiment. För att tillhandahålla en källa till fotoner, en extern pumplaserstråle riktas mot molnet av atomer.

Liknar vatten som ändrar sin fas från vätska till is, detta ljus-materia-system uppvisar en kvantfasövergång. Atomer från en initialt homogen gas organiserar sig spontant i ett rutmönster när intensiteten hos pumpstrålen blir tillräckligt stark. Självorganiseringen sker på bekostnad av superfluiden, som undertrycks av den kristallina ordningen. Detta är ett av de många exemplen i tävlingens natur där en fas vinner över den andra. Forskarna visar att med lite "driv, " du kan tippa balansen till förmån för underdogen - i det här exemplet, den superflytande fasen. "Vi observerar från våra datasimuleringar att en periodisk modulering av pumpens intensitet kan destabilisera den dominerande självorganiserade fasen, "förklarar huvudförfattaren Jayson Cosme." Detta gör att den tidigare instabila homogena fasen kan återuppstå och detta återställer supervätskan. Det är ljusinducerad superfluiditet."

Forskarna observerade sedan sin förutsägelse i ett experiment som genomfördes i gruppen Andreas Hemmerich. "Intuitivt, man kan förvänta sig att om vi skakar systemet, allt det gör är att värma upp. Det var spännande att se en tydlig signatur på att kvantfluiden återuppstår, ”förklarar Andreas Hemmerich.

Förbättringen eller undertryckandet av en fas på grund av en extern drivkraft har också föreslagits i andra fysiska system. Till exempel, i högtemperatur superledare, laserpulser kan smälta jämviktsdominerande randig ordning, banar väg för supraledning att uppstå - ett fenomen som kallas ljusinducerad supraledning. Den grundläggande mekanismen som kan hjälpa till att förklara denna process är fortfarande föremål för debatt. "Vi föreslog denna typ av ljuskontroll av superfluiditet för att demonstrera principen som har antagits för ljusinducerad supraledning, "förklarar Ludwig Mathey. Med denna upptäckt, kall atomfysik visar en allmän, kontraintuitiv mekanism för att styra fasövergångar i många kroppssystem. Det öppnar ett nytt kapitel i fast tillståndets fysik där forskare inte bara mäter materiens jämviktsegenskaper, utan snarare utforma ett icke-jämviktstillstånd med önskade egenskaper via ljusstyrning.