Elektroniska egenskaper hos kondenserad materia bestäms ofta av en intrikat konkurrens mellan kinetisk energi som syftar till att överlappa och delokalisera elektroniska vågfunktioner över kristallgittret, och lokalisering av elektron-elektron-interaktioner. I kontrast, den gasformiga fasen kännetecknas av valenselektroner tätt lokaliserade runt jonatomkärnorna i diskreta kvanttillstånd med väldefinierade energier. Som en exotisk hybrid av båda situationerna, man kan undra vilket tillstånd av materia som skapas när en gas av isolerade atomer plötsligt exciteras till ett tillstånd där elektroniska vågfunktioner rumsligt överlappar varandra, som i en solid?

En sådan exotisk fas av materia, dock, har hittills varit omöjlig att skapa i princip. Här, Professor Kenji Ohmori, Institutet för molekylär vetenskap, National Institutes of Natural Sciences i Japan, och hans medarbetare har insett en sådan exotisk hybrid med överlappande högt liggande elektroniska (Rydberg) vågfunktioner skapade koherent inom bara 10 pikosekunder av ultrasnabb laserexcitation i en artificiell mikrokristall av ultrakalla atomer. Graden av rumslig överlappning är aktivt avstämd med nästan 50 nanometer precision och noggrannhet. Denna exotiska metallliknande kvantgas under utsökt kontroll och långlivad, sönderfaller på nanosekunder, öppnar upp en helt ny regim av många kroppsfysik för att simulera ultrasnabb många kroppselektrondynamik dominerad av Coulomb-interaktioner.

Experimentet utfördes med en ensemble på 30, 000 rubidiumatomer i gasfasen. Den kyldes till en temperatur under en 10 miljondels 1 Kelvin över en absolut nolltemperatur genom laser/evaporativ kylning. De ultrakylda atomerna i det energiskt lägsta kvanttillståndet, kallas ett Bose-Einstein-kondensat, laddas in i ett kubiskt gitter av optiska fällor bildade med kontra-utbredning laserstrålar, vilket resulterar i en konstgjord mikrokristall bestående av 30, 000 atomer, vars närmaste grannavstånd är 0,5 mikron. Denna mikrokristall med en storlek av några tiotals mikrometer bestrålades med en ultrakort laserpuls vars pulsbredd var 10 pico-sekunder. Det observerades sedan att en elektron instängd i var och en av de närliggande atomerna exciterades till sin gigantiska elektroniska orbital (Rydberg-orbital), så att de rumsligt överlappade varandra. Graden av överlappningen kontrollerades utsökt med nästan 50 nanometer precision och noggrannhet genom att ändra laserfrekvensen som väljer orbital.

När orbitalerna hos dessa löst bundna elektroner överlappar varandra och atomerna börjar dela sina orbitaler, de går in i en ny metallliknande kvantgasregim. Professor Ohmori och hans medarbetare har alltså skapat en metallliknande kvantgas för första gången. Denna exotiska materiafas förväntas vara en banbrytande plattform för kvantsimulering av ultrasnabb elektrondynamik i många kroppar dominerad av Coulomb-interaktioner som skulle förbättra vår förståelse av materiens fysikaliska egenskaper inklusive supraledning och magnetism, och skulle kunna bidra till disruptiv innovation i utvecklingen av nya funktionella material.

Studien publiceras i Fysiska granskningsbrev .