Supersolider, fasta material med överflödiga egenskaper (dvs. där ett ämne kan flöda med noll viskositet), har nyligen blivit i fokus för många fysikstudier. Supersolider är paradoxala faser av materia där två distinkta och något antitetiska ordningar samexisterar, vilket resulterar i att ett material är både kristall och superfluid.

Först förutspåddes i slutet av 1960 -talet, supersoliditet har gradvis blivit i fokus för ett växande antal forskningsstudier, väcker debatt inom olika vetenskapliga områden. Många år sedan, till exempel, ett team av forskare publicerade kontroversiella resultat som identifierade denna fas i fast helium, som senare avslogs av författarna själva.

En nyckelfråga med denna studie var att den inte redogjorde för komplexiteten hos helium och de opålitliga observationer som det ibland kan producera. Dessutom, i atomer, interaktioner är vanligtvis mycket starka och stabila, vilket gör det svårare för denna fas att inträffa.

Dipolära kvantgaser ligger i motsatt extremitet av strukturer som fast helium, eftersom de består av ultrakylda magnetiska atomer i gasfasen nedkyld till nanokelvin -temperaturer. I dessa gaser, därför, växelverkan mellan atomer är svag, men de är också långväga och kan ställas in med externt styrda magnetfält.

På grund av deras höga grad av justerbarhet, några år sedan, kvantgaser började dyka upp oftare i teoriförslag för supersoliditet. De första experimenten med gaser kopplade till ljusfält visade tillstånd med supersolidliknande egenskaper, men i dessa stater, det fasta materialet förblev inkomprimerbart.

Till sist, för några månader sedan, tre forskargrupper som undersöker ultrakylda gaser med högmagnetiska atomer (en tysk grupp ledd av Tilman Pfau, en italiensk grupp ledd av Giovanni Modugno och en grupp forskare baserade på universitetet i Innsbruck och Institut für Quantenoptik und Quanteninformation under ledning av Francesca Ferlaino), publicerade samtidigt observationer av stater med supersolid egenskaper.

"Vi kunde bevisa att särskilt interaktionsförhållanden, den magnetiska gasen genomgick en fasövergång till ett supersolid tillstånd, visar både spontan densitetsmodulation (dvs. kristall) och global fas-koherens (dvs. superfluid), "sa Innsbruck-baserade forskare till Phys.org via e-post." Anmärkningsvärt de supersolida egenskaperna uppstår verkligen från de interaktiva interaktionerna, som har ett starkt dipol-dipolbidrag. "

Utifrån dessa tidigare resultat, forskargruppen under ledning av Francesca Farlaino genomförde en ny studie som undersökte excitationsspektrumet för ett instängt dipolärt supersolid, samla intressanta nya observationer. Denna studie är ett viktigt steg framåt för att avslöja hur materiens supersolida tillstånd reagerar på upphetsningar.

"För att undersöka supersoliditet, det är viktigt att bevisa att systemets övervätska och kristallkaraktär reagerar olika på störningar, "förklarade forskarna." Mer allmänt, inom kvantfysik, alla system har inneboende excitationslägen som kännetecknar hur det reagerar på en störning. Till exempel, en klämd gitarrsträng svarar endast med en given frekvens, ger ett tydligt ljud, som ett tränat öra kan känna igen som en specifik anteckning, uppskatta strängens egenskaper. Detsamma gäller för ett kvantsystem; dess excitationsspektrum avslöjar intim information om dess inneboende karaktär. Att undersöka supersolidets excitationer kan således möjliggöra ny och djupare insikt i denna spännande fas. "

Svaren observerade av forskarna matchar teoretiska förutsägelser förknippade med supersolider, vilket tyder på att de framgångsrikt observerade ett supersolid tillstånd. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , fokuserar specifikt på spektrumet av elementära excitationer av en dipolär Bose-gas placerad i en 3-D anisotrop fälla medan den genomgår övergången mellan superfluid och supersolid.

"Vi har tagit ett viktigt steg framåt genom att studera svaret på excitationer av system, ”sa forskarna till Phys.org.” Det sätt på vilket ett system svarar berättar mycket om själva systemet. Det räcker att tänka på en yttre excitation där man kastar en sten på ett system, och hur annorlunda svaret är om man kastar denna sten till havet eller mot en vägg. Detta är bara ett exempel; istället för att kasta en sten, vi studerar systemets komprimerbarhet. "

I deras studie, Ferlaino och hennes kollegor undersökte i huvudsak excitationslägena för det supersolida tillståndet som produceras från en kvantgas av erbiumatomer i en cigarrformad fälla av ljus genom att ändra värdet på ett externt magnetfält. I denna experimentella inställning, densitetsmodulationen dök upp spontant längs fällan, medan systemet förblev supefluid.

Forskarna upphetsade sedan globalt systemet genom att störa fällan i samma riktning som densitetsmoduleringen hade uppstått. Detta resulterade i excitation av olika sätt, som de undersökte genom att observera förändringen i mönstren från gasens materia-interferens med sig själv (erhållen genom att få gasen att expandera) över tid.

"I vårt arbete, vi identifierar de olika elementära excitationslägena genom att tillämpa en modellfri statistisk analys som kallas Principal Component Analysis om tidsutvecklingen av de mönster vi observerade, "sa forskarna." Vår mest meningsfulla observation var att den samtidiga existensen av de två ordena- kristall och supervätska- i ett supersolid översätter till anmärkningsvärda egenskaper hos dess spektrum av elementär excitation, som vi undersökte ytterligare i vårt arbete. "

Tidigare studier tyder på att vid den termodynamiska gränsen (dvs. i oändliga system), förekomsten av både kristall- och superfluidegenskaper ger två grenar i excitationsspektrumet, var och en av dem är associerad med en av orderna. Detta resulterar i lägen som antingen är vibrationer i kristallstrukturen eller flödet av supervätskan, respektive. I deras studie, Ferlaino och hennes kollegor visade, både teoretiskt och experimentellt, att denna nyckelfunktion i det supersolida spektrumet förekommer i laboratoriesystem där endast ett fåtal kristallplatser finns.

"Experimentellt, vi observerade att systemets svar på vårt globala excitationsschema ändras från ett till flera upphetsade lägen när systemet övergår från en vanlig supervätska till en supersolid, återspeglar mångfalden av excitationsgrenen i systemet, "förklarade forskarna." Det viktigaste är att en klass av upphetsade lägen har en minskande energikostnad när man går djupare in i den supersolida regimen, d.v.s. när fasens överflödiga karaktär reduceras. Ett sådant beteende kännetecknar de lägen som inducerar ett överflödigt flöde i droppmatrisen. "

Forskarna fann att medan de i Bose-Einstein-kondensatregimen systemet som de undersökte uppvisade en vanlig fyrpolssvängning, i den supersolida regimen gav den ett spännande tvåfrekvenssvar. Detta svar är associerat med systemets två spontant brutna symmetrier.

Studien utförd av Ferlaino och hennes kollegor ger bevis på möjligheten till överflödigt flöde i supersolid -tillståndet, medan dess fasta elasticitet är känslig. För att se deras iakttagelser, dock, forskarna skulle också behöva bevisa det överflödiga flödets irrotationalitet, till exempel genom att observera virvlar. Detta är en av många saker som de hoppas kunna åstadkomma i sitt framtida arbete.

"Historien om supersolid dipolär gas är fortfarande en ofullständig bok och många kapitel återstår att skriva, "sa forskarna." Till exempel, hur utvecklas superfluidfraktionen längs fasdiagrammet? Vad är typen av överflödesflöde i ett sådant system och hur reagerar systemet på rotation eller på en lokal störning? Vilka andra funktioner kan man få från supersolidets excitationsspektrum, om både dess fasta elasticitet och dess överflödiga fraktion? Det här är bara några av de spännande riktningarna som vi kan utforska i framtiden. "

© 2019 Science X Network