Fasövergångar beskriver dramatiska förändringar i egenskaperna hos ett makroskopiskt system - som övergången från en vätska till en gas. Utgående från individuella ultrakylda atomer, Heidelberg -universitetets fysiker kunde observera framväxten av en sådan övergång med ett ökande antal partiklar. Forskningsarbetet utfördes inom kvantfysik under ledning av prof. Dr Selim Jochim från Institute for Physics.

För att formulera effektiva teorier inom fysik, mikroskopiska detaljer avsätts till förmån för makroskopiskt observerbara mängder. En kopp vatten kan beskrivas med egenskaper som tryck, vätskans temperatur och densitet, medan de enskilda vattenmolekylernas position och hastighet är irrelevant. En fasövergång beskriver förändringen av ett makroskopiskt system från ett materiellt tillstånd, som vätska, till ett annat tillstånd, som gasformigt. Egenskaperna för makroskopiska system-så kallade mångkroppssystem-kan beskrivas som framväxande eftersom de härrör från interaktionen mellan enskilda komponenter som själva inte har dessa egenskaper.

"Jag har länge varit intresserad av hur denna dramatiska makroskopiska förändring vid en fasövergång framgår av den mikroskopiska beskrivningen, "säger Selim Jochim. För att svara på denna fråga, forskarna utformade ett experiment där de samlade ett system från individuella ultrakylda atomer. Med denna kvantsimulator, de undersökte hur kollektivt beteende uppstår i ett mikroskopiskt system. För detta ändamål, de fångade upp till tolv atomer i en tätt fokuserad laserstråle. I detta artificiella system är det möjligt att kontinuerligt ställa in interaktionsstyrkan mellan atomerna från icke-interagerande till att vara den största energiskalan i systemet. "Å ena sidan, antalet partiklar i systemet är tillräckligt litet för att beskriva systemet mikroskopiskt. Å andra sidan, kollektiva effekter är redan uppenbara, "förklarar Luca Bayha, en postdoc i prof. Jochims team.

I deras experiment, Heidelbergsfysikerna konfigurerade kvantsimulatorn så att atomerna lockar varandra, och om attraktionen är tillräckligt stark, bilda par. Dessa par atomer är den nödvändiga ingrediensen för en fasövergång till en supervätska - ett tillstånd där partiklarna flödar utan friktion. De aktuella experimenten fokuserade på när parbildningen dyker upp som en funktion av interaktionsstyrkan och partikelnumret. "Det överraskande resultatet av vårt experiment är att endast sex atomer visar alla signaturer för en fasövergång som förväntas för ett system med många partiklar, "tillägger Marvin Holten, en doktorand i prof. Jochims grupp.