När du lägger en behållare med vatten i frysen, du får isbitar. Nu, forskare från University of Colorado Boulder och University of Toronto har uppnått en liknande övergång med moln av ultrakylda atomer.

I en studie som kommer att visas 2 augusti i tidningen Vetenskapliga framsteg , laget upptäckte att det kunde knuffa dessa kvantmaterial att genomgå övergångar mellan "dynamiska faser" - i huvudsak, hoppa mellan två tillstånd där atomerna beter sig på helt olika sätt.

"Detta händer plötsligt, och det liknar fasövergångarna vi ser i system som att vatten blir is, "sa studiemedförfattaren Ana Maria Rey." Men till skillnad från den brickan med isbitar i frysen, dessa faser finns inte i jämvikt. Istället, atomer förändras och utvecklas ständigt med tiden. "

Resultaten, tillade hon, ge ett nytt fönster till material som är svåra att undersöka i laboratoriet.

"Om du vill, till exempel, utforma ett kvantkommunikationssystem för att skicka signaler från en plats till en annan, allt kommer att vara ur jämvikt, "sade Rey, en kollega på JILA, ett gemensamt institut mellan CU Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST). "Sådan dynamik kommer att vara det viktigaste problemet att förstå om vi vill tillämpa det vi vet på kvantteknik."

Forskare har observerat liknande övergångar tidigare i ultrakylda atomer, men bara bland några dussin laddade atomer, eller joner.

Rey och hennes kollegor, i kontrast, vände sig till moln bestående av tiotusentals oladdade, eller neutral, fermionatomer. Fermionatomer, Hon sa, är introverterna i elementernas periodiska system. De vill inte dela sitt utrymme med sina andra atomer, vilket kan göra dem svårare att kontrollera i kalla atomlaboratorier.

"Vi vandrade verkligen i ett nytt territorium utan att veta vad vi skulle hitta, "säger studieförfattaren Joseph Thywissen, professor i fysik vid University of Toronto.

För att navigera i det nya territoriet, forskarna utnyttjade de svaga interaktioner som sker mellan neutrala atomer - men bara när dessa atomer stöter på varandra i ett begränsat utrymme.

Först, Thywissen och hans team i Kanada kylde en gas bestående av neutrala kaliumatomer till bara en bråkdel av en grad över den absoluta nollan. Nästa, de stämde in atomerna så att deras "snurr" alla pekade åt samma håll.

Sådana snurr är en naturlig egenskap för alla atomer, Thywissen förklarade, lite som jordens magnetfält, som för närvarande pekar mot norr.

När atomerna alla stod i form, gruppen justerade sedan dem för att ändra hur starkt de interagerade med varandra. Och det var där det roliga började.

"Vi körde experimentet med en sorts magnetfält, och atomerna dansade på ett sätt, "Sa Thywissen." Senare, vi körde experimentet igen med ett annat magnetfält, och atomerna dansade på ett helt annat sätt. "

I den första dansen - eller när atomerna knappt interagerade alls - föll dessa partiklar i kaos. Atomspinnet började rotera i sin egen takt och pekade snabbt alla åt olika håll.

Tänk på det som att stå i ett rum fyllt med tusentals klockor med andra händer som alla tickar vid olika tempon.

Men det var bara en del av historien. När gruppen ökade styrkan i interaktionerna mellan atomer, de slutade agera som störda individer och mer som ett kollektiv. Deras snurr tickade fortfarande, med andra ord, men de kryssade i synkronisering.

I denna synkrona fas, "atomerna är inte längre oberoende, "sa Peiru He, en doktorand i fysik vid CU Boulder och en av huvudförfattarna till den nya uppsatsen. "De känner varandra, och interaktionerna kommer att få dem att anpassa sig till varandra. "

Med rätt tweaks, gruppen upptäckte också att den kunde göra något annat:vända tillbaka tiden, vilket gör att både de synkroniserade och störda faserna återgår till sitt ursprungliga tillstånd.

I slutet, forskarna kunde bara behålla de två olika dynamiska faserna av materia i cirka 0,2 sekunder. Om de kan öka den tiden, Han sa, de kanske kan göra ännu mer intressanta observationer.

"För att se rikare fysik, vi får nog vänta längre, " Han sa.