Skriver in Natur , forskare beskriver den första observationen av "självorganiserad kritikalitet" i ett kontrollerat laboratorieexperiment. Komplexa system finns inom matematik och fysik, men förekommer också i naturen och samhället. Begreppet självorganiserad kritik hävdar att utan extern input, komplexa system i icke-jämvikt tenderar att utvecklas till ett kritiskt tillstånd långt borta från en stabil jämvikt. På det sättet, de förstärker sin egen icke-jämvikt.

System som vid första anblicken är helt olika, som spridning av information i sociala nätverk eller spridning av brand eller sjukdom, kan ha liknande egenskaper. Ett exempel är ett lavinliknande beteende som förstärker sig själv istället för att gå i stå. Dock, dessa komplexa system är mycket svåra att studera under kontrollerade labbförhållanden.

För första gången, forskare från European Centre for Quantum Sciences (CESQ) i Strasbourg, i samarbete med forskare från universiteten i Köln och Heidelberg och California Institute of Technology, har lyckats observera de viktigaste dragen hos självorganiserad kritik i ett kontrollerat experiment – ​​inklusive universellt lavinbeteende.

Teamet arbetade med en gas bestående av kaliumatomer, som de förberedde vid mycket låga temperaturer, nära absolut noll. "I detta tillstånd, gasen är lättare att kontrollera, vilket gör den mer lämpad för att studera atomers grundläggande kvantegenskaper, " sa professor Shannon Whitlock vid Institute of Supramolecular Science and Technology vid universitetet i Strasbourg.

Genom att stimulera gasatomer med laser, teamet kunde påverka interaktionerna mellan dessa atomer. "När stimulerad, atomerna kan antingen generera nya sekundära stimulanser eller urladdas spontant, " förklarade Tobias Wintermantel, doktorand i Whitlocks team.

När lasern slogs på, många atomer flydde till en början mycket snabbt. Deras återstående antal i gasen stabiliserades på samma värde. Också, antalet återstående partiklar berodde på laserns intensitet. "Jämföra våra labbresultat med en teoretisk modell, vi såg att dessa två effekter har samma ursprung, "sa den teoretiska fysikern professor Sebastian Diehl från universitetet i Köln. Detta var en första indikation på fenomenet självorganiserad kritik.

"Experimenten visade att vissa system utvecklas av sig själva upp till sin kritiska punkt för fasövergång, ", tillade Diehl. Detta är överraskande:i en typisk fasövergång, som kokande vatten som förvandlas från vätska till gas, det finns bara en kritisk punkt. I kokande vatten, självorganiserad kritik skulle innebära att systemet automatiskt skulle förbli i ett tillstånd av suspension mellan vätska och gas vid den kritiska övergångspunkten – även om temperaturen ändrades. Än så länge, detta koncept har aldrig verifierats och testats i ett så mycket kontrollerbart fysiskt system.

Efter experimentet, teamet återvände till labbet för att bekräfta en annan slående egenskap hos självorganiserad kritik:ett självbärande beteende med atomförfall, liknande den för kontinuerligt påfyllda laviner. Liknande egenskaper har redan observerats kvalitativt tidigare i andra fall - som jordbävningar eller solutbrott. "För första gången, vi observerade nyckelelementen i självorganiserad kritik kvantitativt i labbet. Vi kunde etablera ett mycket kontrollerbart atomärt experimentellt system, sa Shannon Whitlock.

I ytterligare steg, forskarna vill nu undersöka hur atomernas kvantnatur påverkar självorganiseringsmekanismen. "I längden, detta kan bidra till att skapa ny kvantteknologi eller till att lösa vissa beräkningsproblem som är svåra för vanliga datorer, "Avslutade Diehl.

Fenomenet självorganiserad kritikalitet utvecklades först för laviner 1987 av fysikerna Per Bak, Chao Tang och Kurt Wiesenfeld. Ytterligare modeller av andra forskare för evolution, skogsbränder och jordbävningar följde. Än så länge, inga allmänna tillstånd som utlöser självorganiserad kritik har identifierats.