Wanneer materie afkoelt tot bijna het absolute nulpunt, intrigerende verschijnselen ontstaan. Deze omvatten supersoliditeit, waar kristallijne structuur en wrijvingsloze stroming samen voorkomen. ETH-onderzoekers zijn erin geslaagd deze vreemde toestand voor het eerst experimenteel te realiseren.

Stevig, vloeistof of gas zijn de drie duidelijk gedefinieerde toestanden van materie. Het is moeilijk voor te stellen dat stoffen tegelijkertijd eigenschappen van twee van deze toestanden kunnen vertonen. Nog, precies zo'n fenomeen is mogelijk op het gebied van de kwantumfysica, waar materie gedragingen kan vertonen die elkaar uitsluiten.

Supersoliditeit is een voorbeeld van zo'n paradoxale toestand. In een supersolide, atomen zijn gerangschikt in een kristallijn patroon en gedragen zich tegelijkertijd als een superfluïde, waarin deeltjes zonder wrijving bewegen.

Tot nu, supersoliditeit was slechts een theoretische constructie. Maar in het laatste nummer van Natuur , een groep onderzoekers onder leiding van Tilman Esslinger, hoogleraar kwantumoptica aan het Institute for Quantum Electronics, en Tobias Donner, senior wetenschapper aan hetzelfde instituut, rapporteer de succesvolle productie van een supervaste toestand.

De onderzoekers brachten een kleine hoeveelheid rubidiumgas in een vacuümkamer en koelden het af tot een temperatuur van enkele miljardsten van een kelvin boven het absolute nulpunt. zodanig dat de atomen condenseerden tot wat bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. Dit is een eigenaardige kwantummechanische toestand die zich gedraagt ​​als een superfluïde.

De onderzoekers plaatsten dit condensaat in een apparaat met twee elkaar kruisende optische resonantiekamers, elk bestaande uit twee kleine tegenover elkaar liggende spiegels. Het condensaat werd vervolgens verlicht met laserlicht, die in beide kamers was verspreid. De combinatie van deze twee lichtvelden in de resonantiekamers zorgde ervoor dat de atomen in het condensaat een regelmatige, kristalachtige structuur. Het condensaat behield zijn supervloeibare eigenschappen - de atomen in het condensaat konden nog steeds stromen zonder enige energietoevoer, tenminste in één richting, wat niet mogelijk is in een "normale" vaste stof.

"We waren in staat om deze speciale toestand in het laboratorium te produceren dankzij een geavanceerde opstelling waarmee we de twee resonantiekamers identiek konden maken voor de atomen, ", legt Esslinger uit.

Van theoretisch concept naar experimentele realiteit

Met hun experiment de natuurkundigen in het team van Esslinger en Donner realiseerden een concept dat werd getheoretiseerd door wetenschappers, waaronder de Britse natuurkundige David Thouless. 1969, hij stelde dat een superfluïde ook een kristallijne structuur zou kunnen hebben. Theoretische overwegingen leidden tot de conclusie dat dit fenomeen het gemakkelijkst kon worden aangetoond met helium gekoeld tot slechts enkele kelvin boven het absolute nulpunt. In 2004, een Amerikaanse groep meldde dat ze experimenteel bewijs hadden gevonden voor een dergelijke staat, maar schreven hun bevindingen later toe aan oppervlakte-effecten van helium. "Ons werk heeft de ideeën van Thouless nu met succes geïmplementeerd, " legt Donner uit. "We gebruikten geen helium, echter, maar een Bose-Einstein condensaat."

Een seconde, onafhankelijk onderzoek over hetzelfde onderwerp verschijnt in hetzelfde nummer van Natuur :een groep onderzoekers onder leiding van Wolfgang Ketterle van het MIT kondigde afgelopen najaar – kort na de onderzoekers van ETH – aan dat ze er ook in waren geslaagd bewijzen van supersoliditeit te vinden, een andere experimentele benadering gebruiken.