In experimenten met magnetische atomen uitgevoerd bij extreem lage temperaturen, wetenschappers hebben een unieke fase van materie aangetoond:de atomen vormen een nieuw type kwantumvloeistof of kwantumdruppeltoestand. Deze zogenaamde kwantumdruppeltjes kunnen hun vorm behouden in afwezigheid van externe opsluiting vanwege kwantumeffecten. Het gezamenlijke team van experimentele natuurkundigen uit Innsbruck en theoretisch natuurkundigen uit Hannover rapporteert over hun bevindingen in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"Onze Quantum-druppels bevinden zich in de gasfase, maar ze vallen nog steeds als een rots, " legt experimenteel fysicus Francesca Ferlaino uit als hij het heeft over het fascinerende experiment. In het laboratorium, haar team observeerde hoe macrodruppels zich vormden in een kwantumgas. De wetenschappers waren verrast toen ze ontdekten dat de kwantumdruppels bijna zonder tussenkomst van buitenaf en uitsluitend door kwantumeffecten bij elkaar werden gehouden. Deze ontdekking door het onderzoeksteam in Innsbruck, en een soortgelijk werk dat gelijktijdig werd uitgevoerd door een onderzoeksgroep van de Universiteit van Stuttgart die werkte met het magnetische element dysprosium, opent een geheel nieuw onderzoeksgebied op het gebied van ultrakoude kwantumgassen.

In hun experiment produceerden de onderzoekers een Bose-Einstein-condensaat van erbiumatomen bij extreem lage temperaturen in een vacuümkamer. Vervolgens controleerden ze de deeltjesinteractie met behulp van een extern magnetisch veld. De unieke eigenschappen van magnetische atomen maakten het mogelijk om regelmatige interacties te onderdrukken tot op het punt dat kwantumcorrelaties de drijvende kracht werden. Met haar team heeft Ferlaino kunnen bewijzen dat kwantumfluctuaties leiden tot een effectieve afstoting van deeltjes die voor de nodige oppervlaktespanning zorgen om een ​​kwantumdruppel te stabiliseren tegen instorten. "In ons experiment hebben we, Voor de eerste keer, realiseerde een gecontroleerde crossover van een Bose-Einstein condensaat, dat zich gedraagt ​​als een supervloeibaar gas, in een enkele gigantische vloeistofachtige kwantumdruppel van 20, 000 atomen, " legt experimenteel fysicus en eerste auteur van de studie Lauriane Chomaz uit. Dankzij de uitstekende controle van de interatomaire interacties in het experiment, de natuurkundigen konden het belang van kwantumfluctuaties onomstotelijk bewijzen door hun experimentele gegevens te vergelijken met de theorie ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Luis Santos aan de Universiteit van Hannover.

De uitstekende overeenkomst tussen theorie en experiment onthulde de rol van kwantumfluctuaties samen met de contra-intuïtieve eigenschappen van deze nieuwe fase van materie, die kan worden gevonden tussen gasvormige Bose-Einstein-condensaten en vloeibaar supervloeibaar helium. Verder onderzoek naar deze druppeltoestand kan bijdragen aan het vergroten van onze kennis van superfluïditeit. Naast helium, een kwantumdruppel is het enige bekende superfluïde systeem van het vloeibare type. Ultrakoude kwantumgassen bieden een uniek en perfect platform om dit fenomeen te bestuderen vanwege hun hoge zuiverheid en afstembaarheid. Op de lange termijn, deze fase van de materie kan leiden tot nieuwe inzichten die relevant zijn voor onderzoek naar supersoliditeit, dat is supervloeibare gecondenseerde materie.