Het fenomeen metastabiliteit, waarin een systeem zich in een toestand bevindt die stabiel is, maar niet die van de minste energie, wordt veel waargenomen in de natuur en technologie. Nog, veel aspecten die ten grondslag liggen aan de mechanismen die het gedrag en de dynamiek van dergelijke systemen bepalen, blijven onontgonnen. Natuurkundigen van ETH Zürich hebben nu een veelbelovend platform aangetoond voor het bestuderen van metastabiliteit op een fundamenteel niveau, met behulp van een voortreffelijk goed gecontroleerd gas bestaande uit een paar tienduizenden atomen.

Voorbeelden hiervan zijn sneeuw op een helling in rust voor dagen voor een lawine, of bindingen in macromoleculen die dramatisch veranderen bij juiste activering - dergelijke systemen verblijven gedurende langere tijd in de ene toestand voordat ze snel overschakelen naar een andere, energetisch gunstigere. Verschillende aspecten van metastabiliteit zijn goed begrepen, maar in het bijzonder, de schakeldynamiek van de ene toestand naar de andere blijft onbekend, omdat er maar weinig tools beschikbaar zijn om dergelijke processen direct te monitoren.

Lorenz Hruby en zijn collega's in de groep van Tilman Esslinger van het Institute for Quantum Electronics hebben het probleem op een zeer fundamenteel niveau aangepakt, zoals ze melden in een paper die deze week online is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Ze creëerden metastabiele toestanden in een kunstmatig kwantum veellichamensysteem, een atomair gas waarvan de fundamentele kwantumeigenschappen precies bekend zijn en waarvan ze het gedrag met hoge nauwkeurigheid en flexibiliteit kunnen regelen. In dit systeem Hruby et al. waargenomen twee metastabiele toestanden gekenmerkt door hoe de atomen zijn geordend, doet denken aan verschillende structuren die macromoleculen kunnen aannemen. belangrijk, ze hebben met succes in realtime gevolgd hoe het gas tussen deze twee toestanden overschakelde. Ze ontdekten dat tijdens het overstapproces, enkele duizenden atomen bewegen door kwantumtunneling op de tijdschaal waarop afzonderlijke deeltjes van positie veranderen.

Als de trigger voor die "tunneling lawine, " het team identificeerde processen op het oppervlak van het atomaire gas. Door de experimentele waarnemingen te vergelijken met een theoretisch model, ze hebben vastgesteld dat de schakeltijdschaal wordt bepaald door interacties tussen de atomen zelf, in plaats van door externe controleparameters. Centraal in dat proces stond het vermogen van de onderzoekers om de atomen gelijktijdig te laten interageren over zowel korte (atoom-atoom) als lange afstanden. Hierdoor kunnen deeltjes een ingewikkeld samenspel aangaan dat aanleiding geeft tot intrigerende eigenschappen in een breed scala aan materialen en, tegelijkertijd, om het oppervlak van het systeem aan zijn kern te koppelen.

De studie biedt fundamentele inzichten in metastabiele toestanden van materie en in de processen om tussen deze toestanden te schakelen. De hoge mate van controle die in deze experimenten werd aangetoond, samen met de mogelijkheid om experimentele resultaten te vergelijken met theoretische modellen, zou een veelzijdig platform kunnen bieden voor het bestuderen van de dynamiek van metastabiele toestanden en gerelateerde processen in ongekend detail.