Nieuw onderzoek aan de Universiteit van Chicago heeft een decennia-oude theorie bevestigd die de dynamiek van continue faseovergangen beschrijft.

De bevindingen, gepubliceerd in het nummer van 4 november van Wetenschap , bieden de eerste duidelijke demonstratie van het Kibble-Zurek-mechanisme voor een kwantumfaseovergang in zowel ruimte als tijd. Prof. Cheng Chin en zijn team van UChicago-fysici observeerden de overgang in gasvormige cesiumatomen bij temperaturen rond het absolute nulpunt.

Bij een faseovergang materie verandert van vorm en eigenschappen zoals bij overgangen van vast naar vloeibaar (bijvoorbeeld ijs naar water) of van vloeistof naar gas (bijvoorbeeld water tot stoom). Die staan ​​bekend als faseovergangen van de eerste orde.

Een continue faseovergang, of tweede-orde transitie, vormt defecten, zoals domeinmuren, kosmische snaren en texturen - waar een deel van de materie vastzit tussen regio's in verschillende staten. Het Kibble-Zurek-mechanisme voorspelt hoe dergelijke defecten en complexe structuren zich in ruimte en tijd zullen vormen wanneer een fysiek systeem een ​​continue faseovergang doormaakt. Voorbeelden van continue faseovergangen zijn de spontane symmetriebreking in het vroege heelal en, in het geval van het experiment van het team van Chin, een ferromagnetische faseovergang in gasvormige cesiumatomen.

"We bestuderen faseovergangen omdat het een van de meest fundamentele vragen is die ons puzzelen, " zei Chin, een co-auteur van het artikel. "Wat is de oorsprong van de complexe structuur van het universum, hoe ontstaan ​​imperfecties en hoe ontwikkelen identieke materialen in de loop van de tijd verschillende eigenschappen?"

Kosmologen die de oorsprong bestuderen, evolutie, structuur en toekomst van het universum denken ook na over faseovergangen in materiaal, omdat het hun begrip informeert over wat er in de geschiedenis van het universum is gebeurd - in het bijzonder tijdens de vorming ervan.

"Wat we leren van het testen van KZM in ons systeem gaat niet over de oorsprong van het universum, "Zei Chin. "Het gaat er eerder om hoe een complexe structuur wordt ontwikkeld door middel van een transitie. Dit zijn twee verschillende, maar verwante vragen. U kunt vragen:'Waar komt sneeuw vandaan?' of 'Waarom hebben sneeuwvlokken een mooie kristalstructuur?' Ons onderzoek gaat meer over de tweede vraag."

De bevindingen van het experiment kunnen op veel systemen worden toegepast, zoals vloeibare kristallen, superfluïde helium of zelfs celmembranen - die door vergelijkbare continue fase-overgangen gaan. "Ze zouden allemaal dezelfde ruimte-tijd-schaalsymmetrie moeten delen die we hier zagen, " zei Logan Clark, een UChicago-promovendus in de natuurkunde en eerste auteur van het artikel.

In het experiment, een damp van cesiumatomen werd gekoeld met behulp van laserstralen, waardoor een kwantumcesiumgas ontstaat. Extra laserstralen werden gebruikt om een ​​optisch rooster te creëren dat de gasatomen in patronen op een rij zette. Geluidsgolven werden gebruikt om het optische rooster te schudden en de atomen over een continu, ferromagnetische kwantumfaseovergang. Dit zorgde ervoor dat ze zich opsplitsten in verschillende domeinen met een positief of negatief momentum. De onderzoekers ontdekten dat de structuur van de resulterende domeinen consistent was met wat het Kibble-Zurek-mechanisme zou hebben voorspeld.

"Het kwantumgas dat de faseovergang in het optische rooster in ons experiment oversteekt, is analoog aan het hele vroege universum dat een faseovergang kruist, " zei Clark. "Elk systeem dat een continue faseovergang ondergaat, zou de eigenschappen moeten delen die we in ons experiment hebben gezien."

De patronen die zich vormden, waren afhankelijk van hoe snel de hoeveelheid schudden werd opgevoerd, zei Lei Feng, een UChicago-promovendus in de natuurkunde en co-auteur van het artikel. "Hoe sneller het schudden werd opgevoerd, hoe kleiner de domeinen. Het momentum van de atomen in verschillende delen van de vloeistof was zichtbaar door de microscoop, zodat we konden zien hoe groot de domeinen waren en het aantal defecten ertussen konden tellen."

Erich Müller, hoogleraar natuurkunde aan de Cornell University die bekend is met het onderzoek, beschreef de bevindingen als "een opmerkelijke demonstratie van de universaliteit van de natuurkunde."

"Dezelfde theorie die wordt gebruikt om de vorming van structuur in het vroege universum te verklaren, verklaart ook de vorming van structuur in de koude gassen" die in hun experimenten werden gebruikt, zei Müller, die niet aan het onderzoek hebben deelgenomen.

Het werk draagt ​​bij aan het fundamentele begrip van de natuurkunde, zei Kin. "Terwijl kosmologen nog steeds op zoek zijn naar bewijs van het Kibble-Zurek-mechanisme, ons team zag het zelfs in ons laboratorium in monsters van atomen bij extreem lage temperaturen.

"We zijn op de goede weg om andere intrigerende kosmologische fenomenen te onderzoeken, niet alleen met een telescoop, maar ook met een microscoop, " concludeerde hij.