MIT-natuurkundigen hebben een nieuwe vorm van materie gecreëerd, een supersolide, die de eigenschappen van vaste stoffen combineert met die van supervloeistoffen.

Door lasers te gebruiken om een ​​supervloeibaar gas te manipuleren dat bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat, het team was in staat om het condensaat in een kwantumfase van materie te brengen die een stijve structuur heeft - zoals een vaste stof - en kan stromen zonder viscositeit - een belangrijk kenmerk van een superfluïde. Onderzoek naar deze schijnbaar tegenstrijdige fase van materie zou diepere inzichten kunnen opleveren in superfluïden en supergeleiders, die belangrijk zijn voor verbeteringen in technologieën zoals supergeleidende magneten en sensoren, evenals efficiënt energietransport. De onderzoekers rapporteren deze week hun resultaten in het tijdschrift Natuur .

"Het is contra-intuïtief om een ​​materiaal te hebben dat supervloeibaarheid en stevigheid combineert, " zegt teamleider Wolfgang Ketterle, de John D. MacArthur hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Als je koffie supervloeibaar was en je roerde erin, het zou voor altijd blijven ronddraaien."

Natuurkundigen hadden de mogelijkheid van supervaste stoffen voorspeld, maar hadden ze niet in het laboratorium waargenomen. Ze theoretiseerden dat vast helium supervloeibaar zou kunnen worden als heliumatomen zouden kunnen bewegen in een vast heliumkristal, effectief een supersolid worden. Echter, het experimentele bewijs bleef ongrijpbaar.

Het team gebruikte een combinatie van laserkoeling en verdampingskoeling, oorspronkelijk mede ontwikkeld door Ketterle, om natriumatomen af ​​te koelen tot nanokelvin-temperaturen. Atomen van natrium staan ​​bekend als bosonen, voor hun even aantal nucleonen en elektronen. Wanneer afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, bosonen vormen een supervloeibare toestand van verdund gas, een Bose-Einstein-condensaat genoemd, of BEC.

Ketterle was mede-ontdekker van BEC's - een ontdekking waarvoor hij in 2001 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg.

"De uitdaging was nu om iets aan de BEC toe te voegen om ervoor te zorgen dat het een vorm of vorm ontwikkelde die verder ging dan de vorm van de 'atoomval', ' wat het bepalende kenmerk is van een vaste stof, ", legt Ketterle uit.

De draai omdraaien, de strepen vinden

Om de supervaste toestand te creëren, het team manipuleerde de beweging van de atomen van de BEC met behulp van laserstralen, invoering van "spin-baan koppeling."

In hun ultrahoogvacuümkamer, het team gebruikte een eerste set lasers om de helft van de condensaatatomen om te zetten in een andere kwantumtoestand, of draaien, in wezen een mengsel van twee Bose-Einstein-condensaten creëren. Extra laserstralen brachten vervolgens atomen over tussen de twee condensaten, een "spin-flip" genoemd.

"Deze extra lasers gaven de 'spin-flipped' atomen een extra kick om de spin-baankoppeling te realiseren, ' zegt Ketterle.

Natuurkundigen hadden voorspeld dat een spin-baan gekoppeld Bose-Einstein-condensaat een supervaste stof zou zijn vanwege een spontane 'dichtheidsmodulatie'. Als een kristallijne vaste stof, de dichtheid van een supervaste stof is niet langer constant en heeft in plaats daarvan een rimpel- of golfachtig patroon dat de "streepfase" wordt genoemd.

"Het moeilijkste was om deze dichtheidsmodulatie waar te nemen, " zegt Junru Li, een MIT-afgestudeerde student die aan de ontdekking werkte. Deze waarneming werd bereikt met een andere laser, waarvan de bundel werd afgebogen door de dichtheidsmodulatie. "Het recept voor de supersolid is heel eenvoudig, "Li voegt eraan toe, "maar het was een grote uitdaging om alle laserstralen precies uit te lijnen en alles stabiel te krijgen om de streepfase te observeren."

In kaart brengen wat er allemaal mogelijk is in de natuur

Momenteel, de supervaste stof bestaat alleen bij extreem lage temperaturen onder ultrahoogvacuümomstandigheden. Vooruit gaan, het team is van plan om verdere experimenten uit te voeren op supervaste stoffen en spin-baankoppeling, karakteriseren en begrijpen van de eigenschappen van de nieuwe vorm van materie die ze hebben gecreëerd.

"Met onze koude atomen, we brengen in kaart wat er allemaal mogelijk is in de natuur, ", legt Ketterle uit. "Nu we experimenteel hebben bewezen dat de theorieën die supervaste stoffen voorspellen correct zijn, we hopen verder onderzoek te inspireren, mogelijk met onverwachte resultaten."

Verschillende onderzoeksgroepen waren bezig met het realiseren van de eerste supersolid. In hetzelfde nummer van Natuur , een groep in Zwitserland meldde een alternatieve manier om een ​​Bose-Einstein-condensaat met behulp van spiegels in een supervaste stof te veranderen, die laserlichtverstrooiing door de atomen verzamelde. "De gelijktijdige realisatie door twee groepen laat zien hoe groot de interesse is in deze nieuwe vorm van materie, ’ zegt Ketterle.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.