Solitaire golven – ook wel solitonen genoemd – komen in vele vormen voor. Misschien wel de meest herkenbare is de tsunami, die zich vormt na een verstoring op de oceaanbodem en kan reizen, onverminderd, bij hoge snelheden voor honderden mijlen.

Per definitie, een soliton behoudt zijn vorm terwijl hij zich met een constante snelheid voortplant. Maar wat gebeurt er als twee, of meer, solitons interageren? De algemene consensus uit eerdere studies is dat solitonen in wezen onveranderd zijn door een dergelijke interactie en door elkaar gaan, maar natuurkundeprofessor Erich Mueller en afgestudeerde student Shovan Dutta hebben dat idee aangevochten in een rapport dat zojuist is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

hun papier, "Collectieve modi van een Soliton-trein in een Fermi Superfluid, " werd op 29 juni gepubliceerd. Beide mannen werken in Cornell's Laboratory of Atomic and Solid State Physics.

Het team vond iets drastisch anders voor solitonen die interageren in een superfluïde, die ontstaat wanneer een gas van atomen wordt afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Niet alleen beïnvloeden de solitonen elkaar, maar ze kunnen zelfs botsen en elkaar vernietigen.

Recente experimenten hebben geleid tot enkele, langlevende solitonen in een superfluïde. Dutta en Mueller onderzochten theoretisch de interacties binnen een groot aantal van dergelijke solitonen in een superfluïde, zoals lithium-6. Tot hun verbazing, Mueller en Dutta ontdekten een instabiliteit waarbij paren van solitonen botsen en elkaar vernietigen. Ze vonden ook een verscheidenheid aan nieuwe collectieve oscillaties van de solitonen.

De instabiliteitsgraad is gevoelig voor de scheiding van solitonen en de interactie tussen atomen, die beide kunnen worden afgestemd in experimenten. In aanvulling, ze ontdekten dat de instabiliteit kon worden voorkomen door het gas te magnetiseren - waardoor een exotische kwantumtoestand ontstond die voor het eerst werd besproken in de jaren zestig in de context van supergeleiders met magnetische onzuiverheden.

Dutta en Mueller begonnen dit werk op zoek naar supersymmetrie in de fysica van de gecondenseerde materie; in de deeltjesfysica, de theorie van supersymmetrie relateert de twee basisklassen van elementaire deeltjes - bosonen en fermionen - en stelt dat voor elk deeltje uit één groep, er bestaat een "superpartner" van de ander.

"Een richting waarin we renden, "Müller zei, "was dat we dachten dat we een manier hadden om deze symmetrie [in gecondenseerde materie] expliciet te zien."

Het bleek niet te bestaan, Müller zei, maar wat hij en Dutta wel vonden, vormde de basis van hun paper. Bij het vergelijken van bosonische en fermionische excitaties van de superfluïde, ze onderzochten de collectieve beweging van een reeks solitonen en ontdekten dat de golven - die in wezen in één dimensie werden gevormd - verschillende collectieve bewegingen aannamen. Sommigen van hen werden verwacht, maar anderen, inclusief de instabiliteit, waren niet.

Ze ontdekten ook dat de instabiliteit kon worden overwonnen door magnetisatie, die effectief een onevenwichtige, ruimtelijk gemoduleerde superfluïde fase - bekend als de FFLO-toestand - die 50 jaar geleden in theoretische termen was besproken maar nooit rechtstreeks in experimenten werd gerealiseerd. Dit opent de deur, Dutta zei, verder onderzoek naar nieuwe kwantumtoestanden en aanverwante gebieden, zoals exotische supergeleiding.

"Het is al lang een uitdaging voor een grote gemeenschap van mensen, om deze kwantumtoestand te creëren, " hij zei, "en onze bevindingen tonen aan dat men het direct in koude atomaire gassen kan construeren."

Mueller en Dutta hebben een gerelateerd artikel ingediend over hun protocol voor directe engineering van deze nieuwe kwantumtoestand. Hun werk verbreedt ons begrip van de niet-evenwichtsdynamiek van kwantumsystemen met veel lichamen.

"Als je de basiselementen van de dynamiek voor dit systeem kunt vaststellen, die zou kunnen worden gezien als een prototype voor meer gecompliceerde systemen, dan krijg je enig begrip van hoe de kwantumwereld werkt, ' voegde Dutta eraan toe.