Rent generellt, materia finns i tre distinkta former:som ett fast ämne, en vätska eller en gas. Tidigare fysikforskning, dock, har avslöjat andra märkliga tillstånd av materien, en av dem är supersoliditet. I ett supersolid tillstånd, partiklar är ordnade till en stel kristall och kan ändå strömma genom det fasta ämnet utan friktion. Även om detta kan verka motsägelsefullt, detta tillstånd tillåts av kvantmekanikens lagar.

Ett team av forskare vid Aarhus Universitet i Danmark har nyligen genomfört en studie som utforskar supersoliditet i dipolära Bose-Einstein-kondensat (BEC), materiatillstånd där separata atomer kylda till nära absolut noll förenas till en enda kvantmekanisk enhet. Deras studie, med i Fysiska granskningsbrev , avslöjade en kritisk punkt där kristallisering inträffar, och en ny supersolid fas uppstår, som kännetecknas av ett regelbundet bikakemönster med nästan perfekt superfluiditet.

"Förutsatt för mer än 50 år sedan, supersoliditet har varit svårfångad för observationer tills nyligen, där nya löften ges genom experiment med mycket utspädda gaser av atomer som kyls och fångas av laserljus vid temperaturer nära absolut noll, " Thomas Pohl, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Under sådana extrema förhållanden, atomerna kan tillsammans bilda ett så kallat Bose-Einstein-kondensat, vilket är ett kvanttillstånd som representerar en ideal friktionsfri superfluid. Dock, man skulle naturligtvis inte förvänta sig att en sådan utspädning, friflytande vätska kan kristallisera. Fascinerad av supersolid states bisarra natur, vi ville förstå om detta ändå skulle vara möjligt om atomerna samverkade på ett lämpligt sätt."

I början av 2000-talet forskare föreslog dipolära Bose Einstein-kondensat som bildas av partiklar som, precis som små magneter, kan attrahera och stöta bort varandra över stora avstånd. I deras studie, Pohl och hans kollegor Yongchang Zhang och Fabian Maucher observerade att kvantfluktuationer i sådana dipolära kondensat kan leda till kristallisation vid en kritisk punkt (d.v.s. en punkt i fasdiagrammet där två faser av ett ämne blir omöjliga att skilja).

Detta betyder i huvudsak att dipolära kondensat kan, faktiskt, vara supersolid, vilket var vad forskarna hade hoppats på när de började sin undersökning. Deras beräkningar, dock, gav ytterligare överraskningar, specifikt relaterat till det sätt på vilket kvantvätskan kristalliserades.

"När vi lägger en isbit i ett glas vatten, det tar lite tid tills det är helt smält, " berättade Zhang för Phys.org. "Med andra ord, vatten kan samexistera i flytande och fast form under smältning eller frysning, och detta beteende är typiskt för många andra ämnen. Till vår förvåning, vi upptäckte att vårt supersolid fryser på ett märkligt sätt, varvid atomerna antingen är helt flytande eller helt fasta, och vätskan och kristallen blir praktiskt taget identiska precis vid den punkt där de två faserna transformeras utan samexistens."

Analyserna utförda av Pohl, Zhang och Maucher avslöjade en ny sorts supersolid som var helt annorlunda än vad de ursprungligen hade räknat med. Istället för att atomer ordnar sig på ett typiskt gitter, den dipolära kvantvätskan visade sig bilda en bikakeformad struktur av kanaler.

Men i motsats till honung, som är en viskös vätska, i denna struktur, de dipolära atomerna kan röra sig fritt längs åsarna av den superfluidiska "bikakan". Forskarna fann denna märkliga form av materia, där partiklar kan flöda över ett vanligt nätverk som hålls samman rent av vätskan själv och med praktiskt taget noll viskositet, oerhört fascinerande.

"Vår teoretiska studie baserades på analys och numerisk simulering av den makroskopiska kvantmekaniska vågfunktionen som beskriver tillståndet för de dipolära atomerna i Bose-Einstein-kondensatet, "Fabian Maucher, en annan forskare som utförde studien, berättade för Phys.org. "Som påpekats i tidigare arbete, en särskilt viktig aspekt är att inkludera kvantmekaniska korrelationer och kvantfluktuationer i beskrivningen. Faktiskt, det visar sig att bikakefastheten och dess ovanliga frysningsbeteende underlättas av sådana kvantfluktuationer, och skulle inte existera annars."

Studien utförd av Pohl, Zhang och Maucher introducerar en ny typ av supersolid state, som, som deras resultat antyder, kan spåras tillbaka till effekterna av kvantfluktuationer i dipolära kondensat. I framtiden, de planerar att undersöka dessa fynd ytterligare och genomföra fler studier med fokus på dipolära Bose-Einstein-kondensat. Under tiden, andra forskarlag undersöker också beteendet hos dipolära kvantvätskor, både i teorin och experiment.

"Väldigt nyligen, tre experimentella grupper från universitetet i Stuttgart, universitetet i Florens och universitetet i Innsbruck har oberoende observerat bildandet av supersolid mikronskaliga kvantdroppar som är uppradade på vanliga arrayer, " sade Zhang. "Dessa experimentella prestationer ger en lovande utsikt, och det kommer att vara en viktig fråga att klargöra under vilka förhållanden våra teoretiska förutsägelser kan observeras med dipolära atomer. Säkert, dipolära kvantvätskor har blivit en spännande ny plattform för supersolid beteende som kommer att fortsätta att utmana vår förståelse och avslöja överraskningar och nya insikter om detta fascinerande kvanttillstånd av materia."

© 2019 Science X Network