De kwantumwereld is zowel elegant als mysterieus. Het is een bestaanssfeer waar de wetten van de fysica die in het dagelijks leven worden ervaren, worden verbroken - deeltjes kunnen op twee plaatsen tegelijk bestaan, ze kunnen over grote afstanden op elkaar reageren, en ze lijken zelf in de war over de vraag of ze deeltjes of golven zijn. Voor degenen die niet in het veld betrokken zijn, deze wereld lijkt misschien onbeduidend, maar onlangs, onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben theoretisch twee kwantumtoestanden beschreven die buitengewoon zijn in zowel de fysica die ze definieert als hun visuele aantrekkingskracht:een complex kwantumsysteem dat klassieke fysica simuleert en een betoverende kettingachtige toestand . Hun studie is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling A .

De zoektocht naar deze staten begint met een donut, of liever, een donutvormige container met een roterende superfluïde. Deze supervloeibare, dat is een vloeistof die beweegt zonder wrijving, is gemaakt van Bose-Einstein-condensaten (BEC's) bestaande uit deeltjes zonder lading die worden afgekoeld tot bijna nul graden kelvin, een temperatuur zo koud, dat het niet bestaat in het universum buiten laboratoria. Bij deze temperatuur, deeltjes beginnen vreemde eigenschappen te vertonen - ze klonteren samen, en uiteindelijk niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. In werkelijkheid, ze worden één geheel en bewegen zich dus als één geheel.

Aangezien deze wervelende BEC-superfluïde op kwantumschaal werkt, waar kleine afstanden en lage temperaturen heersen, de fysieke kenmerken van zijn rotatie zijn niet die van de klassieke wereld. Denk aan een vader die zijn dochter aan de armen in een cirkel rondzwaait. Klassieke natuurkunde schrijft voor dat de benen van het kind sneller zullen bewegen dan haar handen rond de cirkel, omdat haar benen verder moeten reizen om een ​​volledige draai te maken.

In de wereld van de kwantumfysica is de relatie het tegenovergestelde. "In een superfluïde... bewegen dingen die heel ver weg zijn [van het centrum] heel langzaam, overwegende dat dingen [die] dicht bij het centrum zijn zeer snel bewegen, " legt OIST-professor Thomas Busch uit, een van de bij het onderzoek betrokken onderzoekers. Dit is wat er gebeurt in de supervloeibare donut.

In aanvulling, de superfluïde binnenkant van de donut vertoont een uniform dichtheidsprofiel, wat betekent dat het gelijkmatig over de donut wordt verdeeld. Dit zou hetzelfde zijn voor de meeste vloeistoffen die roteren via klassieke of kwantumregels. Maar wat gebeurt er als een ander type BEC wordt toegevoegd, een die is gemaakt van een andere atoomsoort en die niet kan worden gemengd met de originele BEC? Zoals olie en water, de twee componenten zullen scheiden op een manier die het gebied waarin ze elkaar raken minimaliseert en twee halve cirkels vormen aan weerszijden van de donutcontainer.

"De kortste grens [tussen de componenten] is in de radiale richting, "Dr. Angela Wit, eerste auteur van de studie, verklaart. De twee componenten scheiden zich langs deze grens in verschillende helften van de donut, die wordt gemaakt door door de straal van de donut te gaan. In deze configuratie, ze zullen minder energie gebruiken om gescheiden te blijven dan ze zouden doen via een ander.

In het onmengbare, of onvermengbaar, configuratie weergegeven in figuur 1, de kwantumwereld verrast. Aangezien de grens tussen de twee superfluïden in de radiale richting moet blijven, de superfluïde aanwezig op deze grens moet roteren als een klassiek object. Dit gebeurt om die lage energietoestand te behouden. Als aan de grens de superfluïden aan de binnenkant sneller bleven roteren, dan zouden de twee halve cirkels beginnen te draaien, de lijn die hen scheidt verlengen, en dus meer energie nodig hebben om gescheiden te blijven. Het resultaat is een soort klassieke natuurkundige nabootsing, waar het systeem lijkt te springen in het klassieke rijk, gefaciliteerd door complex kwantummechanisch gedrag.

In dit stadium, de superfluïde donut heeft zijn eerste buitengewone toestand bereikt, een toestand die klassieke rotatie nabootst. Maar er is nog een stap nodig om dit toch al verbijsterende systeem om te zetten in het einddoel van de ketting:spin-orbit-koppeling.

"Op een heel abstracte manier, [spin is] gewoon iets dat twee mogelijke toestanden heeft, Busch legt uit. "Het kan zo zijn of het kan zo zijn." waarbij deeltjes betrokken zijn die geen lading hebben, of niet draaien, de onderzoekers "vervalsen" een spin door een "dit of dat"-eigenschap toe te kennen aan hun deeltjes.

Bij het koppelen van de deeltjes op basis van deze eigenschap, de twee halve cirkels aan de binnenkant van de donut breken in meerdere afwisselende delen, waardoor de kettingconfiguratie wordt gevormd (Figuur 2). Door verder in de samenstelling te graven, de onderzoekers ontdekten dat het aantal "parels" in de ketting afhangt van de sterkte van de spin-baankoppeling en, meer verrassend, dat er altijd een oneven aantal van deze parels moet zijn.

Onderzoekers hebben al eerder kwantumkettingen voorspeld, maar het was bekend dat ze onstabiel waren - ze breidden zich uit of verdwenen in de vergetelheid slechts een korte tijd nadat ze waren gemaakt. In dit theoretische model is de OIST-onderzoekers geloven dat ze een manier hebben gevonden om een ​​stabiele ketting te maken, een die meer tijd zou geven om het te bestuderen en zijn verfijnde majesteit te waarderen.