Som historien går, den grekiske matematikern och pysslaren Arkimedes kom över en uppfinning när han reste genom det gamla Egypten som senare skulle bära hans namn. Det var en maskin som bestod av en skruv inrymd inuti ett ihåligt rör som fångade och drog vatten vid rotation. Nu, forskare ledda av fysikern Benjamin Lev vid Stanford University har utvecklat en kvantversion av Archimedes skruv som, istället för vatten, drar ömtåliga samlingar av gasatomer till högre och högre energitillstånd utan att kollapsa. Deras upptäckt beskrivs i en artikel publicerad 14 januari Vetenskap .

"Min förväntning på vårt system var att gasens stabilitet bara skulle förändras lite, sa Lev, som är docent i tillämpad fysik och i fysik vid School of Humanities and Sciences i Stanford. "Jag förväntade mig inte att jag skulle se en dramatisk, fullständig stabilisering av den. Det var bortom min vildaste föreställning."

Längs vägen, forskarna observerade också utvecklingen av ärrtillstånd - extremt sällsynta banor av partiklar i ett annars kaotiskt kvantsystem där partiklarna upprepade gånger går tillbaka sina steg som spår som överlappar varandra i skogen. Ärrtillstånd är av särskilt intresse eftersom de kan erbjuda en skyddad tillflyktsort för information kodad i ett kvantsystem. Förekomsten av ärrtillstånd inom ett kvantsystem med många interagerande partiklar – känt som ett kvantmångkroppssystem – har bara nyligen bekräftats. Stanford-experimentet är det första exemplet på ärrtillståndet i en kvantgas med många kroppar och bara den andra någonsin iakttagande av fenomenet i verkliga världen.

Super och stabil

Lev specialiserar sig på experiment som utökar vår förståelse av hur olika delar av ett kvantsystem med många kroppar sätter sig i samma temperatur eller termisk jämvikt. Detta är ett spännande undersökningsområde eftersom att motstå denna så kallade "termalisering" är nyckeln till att skapa stabila kvantsystem som kan driva ny teknik, som kvantdatorer.

I detta experiment, teamet undersökte vad som skulle hända om de anpassade ett mycket ovanligt experimentellt system med många kroppar, kallas en super Tonks-Girardeau-gas. Dessa är mycket exciterade endimensionella kvantgaser - atomer i ett gasformigt tillstånd som är begränsade till en enda rörelselinje - som har ställts in på ett sådant sätt att deras atomer utvecklar extremt starka attraktionskrafter till varandra. Det som är superbra med dem är att även under extrema krafter, teoretiskt sett bör de inte kollapsa till en bollliknande massa (som normala attraktiva gaser kommer att göra). Dock, i praktiken, de kollapsar på grund av experimentella ofullkomligheter. Lev, som har en förkärlek för det starkt magnetiska elementet dysprosium, undrade vad som skulle hända om han och hans elever skapade en super Tonks-Girardeau-gas med dysprosiumatomer och ändrade sina magnetiska orienteringar "bara så." Kanske skulle de motstå kollaps bara lite bättre än icke-magnetiska gaser?

"De magnetiska interaktionerna vi kunde lägga till var mycket svaga jämfört med de attraktiva interaktionerna som redan fanns i gasen. Så, våra förväntningar var att inte mycket skulle förändras. Vi trodde att det fortfarande skulle kollapsa, bara inte fullt så lätt." sa Lev, som också är medlem i Stanford Ginzton Lab och Q-FARM. "Wow, hade vi fel."

Deras dysprosiumvariation slutade med att producera en super Tonks-Girardeau-gas som förblev stabil oavsett vad. Forskarna vände atomgasen mellan de attraktiva och frånstötande förhållandena, höja eller "skruva" systemet till högre och högre energitillstånd, men atomerna kollapsade fortfarande inte.

Bygger från grunden

Även om det inte finns några omedelbara praktiska tillämpningar av deras upptäckt, Lev-labbet och deras kollegor utvecklar den vetenskap som är nödvändig för att driva den kvantteknikrevolution som många förutspår kommer. Tills vidare, sa Lev, fysiken hos kvantsystem för många kroppar som inte är i jämvikt förblir konsekvent överraskande.

"Det finns ännu ingen lärobok på hyllan som du kan ta fram för att berätta hur du bygger din egen kvantfabrik, " sa han. "Om du jämför kvantvetenskap med var vi var när vi upptäckte vad vi behövde veta för att bygga kemiska anläggningar, säga, det är som om vi gör det sena 1800-talets arbete just nu."

Dessa forskare börjar bara undersöka de många frågor de har om deras kvantArkimedes skruv, inklusive hur man matematiskt beskriver dessa ärrtillstånd och om systemet termaliserar – vilket det måste så småningom – hur det går till att göra det. Mer omedelbart, de planerar att mäta farten hos atomerna i ärrtillstånden för att börja utveckla en solid teori om varför deras system beter sig som det gör.

Resultaten av detta experiment var så oförutsedda att Lev säger att han inte starkt kan förutsäga vilken ny kunskap som kommer från en djupare inspektion av kvant-Arkimedes skruv. Men det, han påpekar, är kanske experimentalism när den är som bäst.

"Detta är en av få gånger i mitt liv där jag faktiskt har arbetat på ett experiment som verkligen var experimentellt och inte en demonstration av existerande teori. Jag visste inte vad svaret skulle vara på förhand, " sa Lev. "Då hittade vi något som verkligen var nytt och oväntat och som får mig att säga, 'Jaha experimentalister!'"