Kvantmaterial kan vara fast och flytande på samma gång - en situation som kallas supersoliditet. Forskare under ledning av Francesca Ferlaino har nu för första gången skapat denna fascinerande fastighet längs två dimensioner. De rapporterar nu i tidningen Natur om realiseringen av supersoliditet längs två axlar av en ultrakyld kvantgas. Experimentet erbjuder många möjligheter för ytterligare undersökning av detta exotiska tillstånd.

Kvantgaser är mycket väl lämpade för att undersöka de mikroskopiska konsekvenserna av interaktioner i materia. I dag, forskare kan exakt styra enskilda partiklar i extremt kylda gasmoln i laboratoriet, avslöjande fenomen som inte kan observeras i vardagen. Till exempel, de enskilda atomerna i ett Bose-Einstein-kondensat är helt delokaliserade. Detta innebär att samma atom existerar vid varje punkt i kondensatet vid varje given tidpunkt. Två år sedan, forskargruppen som leddes av Francesca Ferlaino från Institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck och Institute of Quantum Optics and Quantum Information vid den österrikiska vetenskapsakademin i Innsbruck lyckades för första gången generera supersolid -tillstånd i ultrakylda kvantgaser av magnetiska atomer. Den magnetiska interaktionen gör att atomerna självorganiseras till droppar och ordnar sig i ett regelbundet mönster.

"I vanliga fall, du skulle tro att varje atom skulle hittas i en specifik droppe, utan något sätt att komma mellan dem, "säger Matthew Norcia från Francesca Ferlainos team." Men i supersolid tillstånd, varje partikel delokaliseras över alla droppar, existerar samtidigt i varje droppe. Så i princip, du har ett system med en serie regioner med hög densitet (dropparna) som alla delar samma delokaliserade atomer. "Denna bisarra bildning möjliggör effekter som friktionsfritt flöde trots närvaron av rumslig ordning (överflödighet).

Nya dimensioner, nya effekter att utforska

Tills nu, supersolid -tillstånd i kvantgaser har bara någonsin observerats som en rad droppar (längs en dimension). "I samarbete med teoretikerna Luis Santos vid Leibniz Universität Hannover och Russell Bisset i Innsbruck har vi nu utvidgat detta fenomen till två dimensioner, ger upphov till system med två eller flera rader droppar, "förklarar Matthew Norcia. Detta är inte bara en kvantitativ förbättring, men också väsentligt breddar forskningsperspektiven. "Till exempel, i ett tvådimensionellt supersolid system, man kan studera hur virvlar bildas i hålet mellan flera närliggande droppar, "säger han." Dessa virvlar som beskrivs i teorin har ännu inte påvisats, men de representerar en viktig följd av överflödighet, "Francesca Ferlaino ser redan in i framtiden. Experimentet som nu rapporteras i tidskriften Nature skapar nya möjligheter att ytterligare undersöka den grundläggande fysiken i detta fascinerande tillstånd.

Nytt forskningsfält:Supersolids

Förutspådd för 50 år sedan, supersoliditet med dess överraskande egenskaper har undersökts omfattande i superfluid helium. Dock, efter årtionden av teoretisk och experimentell forskning, ett tydligt bevis på supersoliditet i detta system saknades fortfarande. Två år sedan, forskargrupper i Pisa, Stuttgart och Innsbruck lyckades oberoende för första gången skapa så kallade supersolider från magnetatomer i ultrakylda kvantgaser. Grunden för det nya, växande forskningsområde för supersolider är den starka polariteten hos magnetiska atomer, vars interaktionsegenskaper möjliggör skapandet av detta paradoxala kvantmekaniska materiella tillstånd i laboratoriet.