De kvantegenskaper som ligger bakom kristallbildningen kan replikeras och undersökas med hjälp av ultrakalla atomer. Ett team ledd av Dr. Axel U. J. Lode från University of Freiburgs Institute of Physics har nu beskrivit i tidskriften Fysiska granskningsbrev hur användningen av dipolära atomer möjliggör till och med realisering och exakt mätning av strukturer som ännu inte har observerats i något material. Den teoretiska studien var ett samarbete som involverade forskare från universitetet i Freiburg, universitetet i Wien och det tekniska universitetet i Wien i Österrike, och Indian Institute of Technology i Kanpur, Indien.

Kristaller är allmänt förekommande i naturen. De bildas av många olika material - från mineralsalter till tungmetaller som vismut. Deras strukturer uppstår eftersom en viss regelbunden ordning av atomer eller molekyler är gynnsam, eftersom det kräver den minsta mängden energi. En kub med en beståndsdel på vart och ett av dess åtta hörn, till exempel, är en kristallstruktur som är mycket vanlig i naturen. En kristalls struktur bestämmer många av dess fysiska egenskaper, som hur väl den leder en ström eller värme eller hur den spricker och beter sig när den är upplyst av ljus. Men vad bestämmer dessa kristallstrukturer? De uppstår som en konsekvens av kvantegenskaperna hos och interaktionerna mellan deras beståndsdelar, som, dock, är ofta vetenskapligt svåra att förstå och även svåra att mäta.

För att ändå komma till botten med kvantegenskaperna för bildandet av kristallstrukturer, Forskare kan simulera processen med Bose-Einstein-kondensat - fångade ultrakalla atomer som kyls ner till temperaturer nära absolut noll eller minus 273,15 grader Celsius. Atomerna i dessa mycket artificiella och mycket ömtåliga system är extremt väl under kontroll.

Med noggrann inställning, de ultrakalla atomerna beter sig precis som om de vore de beståndsdelar som bildar en kristall. Även om att bygga och köra en sådan kvantsimulator är en mer krävande uppgift än att bara odla en kristall från ett visst material, Metoden erbjuder två huvudsakliga fördelar:För det första, forskare kan justera egenskaperna för kvantsimulatorn nästan efter behag, vilket inte är möjligt för konventionella kristaller. Andra, standardavläsningen av kvantsimulatorer med kall atom är bilder som innehåller information om alla kristallpartiklar. För en konventionell kristall, däremot, endast det yttre är synligt, medan interiören – och i synnerhet dess kvantegenskaper – är svår att observera.

Forskarna från Freiburg, Wien, och Kanpur beskriver i sin studie att en kvantsimulator för kristallbildning är mycket mer flexibel när den är byggd med hjälp av ultrakalla dipolära kvantpartiklar. Dipolära kvantpartiklar gör det möjligt att realisera och undersöka inte bara konventionella kristallstrukturer, men också arrangemang som hittills inte setts för något material. Studien förklarar hur dessa kristallordningar uppstår ur en spännande konkurrens mellan kinetiska, potential, och interaktionsenergi och hur strukturerna och egenskaperna hos de resulterande kristallerna kan mätas i oöverträffad detalj.