Ta en blandningsskål från ditt kök, kasta i en handfull aluminiumkulor, applicera hög spänning, och se en elegant dans utvecklas där partiklar omarrangerar sig till ett distinkt "kristallmönster". Detta märkliga beteende hör till fenomenet känt som Wigner-kristallisation, där partiklar med samma elektriska laddning stöter bort varandra för att bilda en ordnad struktur.

Wigner-kristallisation har observerats i olika system, allt från partiklar storleken på sandkorn suspenderade i små moln av elektroner och joner (kallad dammig plasma) till det täta inre av planetstora stjärnor, kända som vita dvärgar. Professor Alex Bataller vid North Carolina State University har nyligen upptäckt att Wigners kristallisation inuti vita dvärgar kan studeras i labbet med en ny klass av klassiska system, kallas gravitationskristaller.

För att Wigner-kristallisationens konstiga beteende ska inträffa, det måste finnas ett system som består av laddade partiklar som båda är fria att röra sig (plasma), som starkt interagerar med varandra (starkt kopplade partiklar), och har närvaron av en begränsande kraft för att hålla plasmapartiklarna från att frånstötande explodera bort från varandra.

För att studera detta tillstånd för små skalor i laboratoriet, Dr. Bataller utarbetade ett nytt arrangemang som placerar metallsfärer i kontakt med en högspänningsbegränsande yta, som laddar sfärerna genom att överföra hundratals miljoner elektroner till deras yta, och därigenom ökar partikelavstötningen, och håller även partiklarna inneslutna. Dessutom, när sfärerna rullar över ytan, deras rörelse producerar friktion som snabbt minskar kinetisk energi och främjar stark koppling.

Den viktigaste insikten som möjliggjorde den nuvarande upptäckten var att använda gravitationen som den begränsande kraften. På det här sättet, små laddade sfärer kan gravitationsmässigt begränsas med en enkel geometri... en skål.

Genom att använda gravitationsinneslutning, Dr. Bataller upptäckte att Wigners kristallisation också kan utökas till makroskopiska dimensioner med partiklar som är miljon gånger mer massiva än dess dammiga plasmakusin, som nu kan användas för att studera andra kristallsystem. Till exempel, gravitationskristaller kan simulera en märklig egenskap hos vita dvärgstjärnor som kallas sedimentation. Det upptäcktes nyligen att skiktade kristalllager kan bildas i vita dvärgstjärnor som innehåller syre och kol, där det tyngre syret "sjunker" till kärnan. Tyngdkraftskristallarrangemanget reproducerar denna skiktningseffekt när högspänning appliceras på ett initialt blandat system av koppar- och aluminiumkulor. Analogt med sedimentation i vita dvärgstjärnor, kopparkulorna dras mot skålens mitt samtidigt som de behåller en kristallstruktur.

Plasmaegenskaperna och den yttre miljön för en gravitationskristall och en vit dvärgstjärna är så olika som man kan föreställa sig, ändå uppvisar båda systemen liknande beteende, vilket talar till Wigner-kristallisationens robusta natur.

"Den rika mångfalden av system där vi har observerat Wigners kristallisering är ett direkt resultat av dess skaloberoende natur, " Dr. Bataller sa. "Gravity kristaller utökar detta fenomen till mänskliga dimensioner samtidigt som de behöver minimala resurser. Det som upphetsar mig mest med den här nya plattformen är att praktiskt taget alla nyfikna individer kan återskapa detta fascinerande tillstånd av materia som, tills nu, har begränsats till miljondollarexperiment och i det täta inre av stjärnor."