Wat als je de kristallijne orde van kwantummaterie zou kunnen verstoren, zodat een superfluïde vrij kan stromen, zelfs bij temperaturen en drukken waar dat normaal niet gebeurt? Dit idee is aangetoond door een team van wetenschappers onder leiding van Ludwig Mathey en Andreas Hemmerich van de Universiteit van Hamburg.

Het bevriezen van water brengt een verandering met zich mee van de ene fase van de materie naar de andere, faseovergang genoemd. Terwijl deze overgang zoals talloze andere die in de natuur voorkomen, vindt meestal plaats onder dezelfde vaste omstandigheden - in dit geval het vriespunt - het kan op een gecontroleerde manier worden beïnvloed. De vriesovergang kan worden gecontroleerd om een ​​sorbet of een slushy te produceren. Om een ​​koude en verfrissende slushy te maken met de perfecte consistentie, een slushmachine met constant roterende messen voorkomt dat watermoleculen kristalliseren en de slushy verandert in een stevig blok ijs.

Stel je voor dat je op dezelfde manier kwantummaterie bestuurt. In plaats van een normale vloeistof te vormen, als een gesmolten slushy onder de zon, kwantummaterie kan een superfluïde vormen. Deze contra-intuïtieve vorm van materie werd voor het eerst waargenomen in vloeibaar helium bij zeer lage temperaturen, minder dan twee Kelvin boven het absolute nulpunt. De heliumatomen hebben een sterke neiging om een ​​kristal te vormen, als de watermoleculen in een slushy, en dit beperkt de supervloeibare toestand van helium tot zeer lage temperaturen en lage drukken.

Maar wat als je de messen in je slush-machine zou kunnen aanzetten voor kwantummaterie? Wat als je de kristallijnen orde zou kunnen verstoren, zodat de superfluïde vrij kan stromen, zelfs bij temperaturen en drukken waar dit gewoonlijk niet het geval is? Dit was het idee dat nu werd gedemonstreerd door een team van wetenschappers onder leiding van Ludwig Mathey en Andreas Hemmerich van de Universiteit van Hamburg. Ze hebben op gecontroleerde wijze de kristallijnen orde in een kwantumsysteem verstoord door er licht op te laten schijnen dat met een bepaalde frequentie in de tijd oscilleert. Natuurkundigen gebruiken de term 'rijden' om dit soort periodieke verandering op het systeem te beschrijven - een actie die wordt uitgevoerd door de draaiende bladen in een modderige machine. Hun werk, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , identificeerde een fundamenteel mechanisme voor hoe een typisch systeem met concurrerende fasen reageert op een externe periodieke aandrijving.

De onderzoekers bestudeerden een gas van koude atomen dat tussen twee sterk reflecterende spiegels was geplaatst. De spiegels vormen een holte die dient als een resonator voor fotonen, aangezien de atomen ze meerdere keren verstrooien voordat ze in experimenten worden gedetecteerd. Om een ​​bron van fotonen te verschaffen, een externe pomplaserstraal wordt op de wolk van atomen gericht.

Vergelijkbaar met water dat zijn fase verandert van vloeistof naar ijs, dit licht-materiesysteem vertoont een kwantumfaseovergang. Atomen uit een aanvankelijk homogeen gas organiseren zich spontaan in een dambordpatroon wanneer de intensiteit van de pompstraal voldoende sterk wordt. De zelforganisatie gaat ten koste van het superfluïde, die wordt onderdrukt door de kristallijne orde. Dit is een van de vele voorbeelden van concurrentie waarbij de ene fase het wint van de andere. De onderzoekers laten zien dat met een beetje "drive, " je kunt de balans laten doorslaan in het voordeel van de underdog - in dit voorbeeld de supervloeibare fase. "We zien uit onze computersimulaties dat een periodieke modulatie van de pompintensiteit de dominante zelfgeorganiseerde fase kan destabiliseren, " legt hoofdauteur Jayson Cosme uit. "Hierdoor kan de voorheen onstabiele homogene fase opnieuw naar voren komen en dit herstelt de superfluïde. Het is door licht geïnduceerde superfluïditeit."

De wetenschappers observeerden hun voorspelling vervolgens in een experiment uitgevoerd in de groep van Andreas Hemmerich. "Intuïtief, men zou verwachten dat als we het systeem door elkaar schudden, het enige wat het doet is opwarmen. Het was intrigerend om een ​​duidelijke handtekening van de kwantumvloeistof te zien verschijnen, ", legt Andreas Hemmerich uit.

De versterking of onderdrukking van een fase als gevolg van een externe drijvende kracht is ook gesuggereerd in andere fysieke systemen. Bijvoorbeeld, in supergeleiders op hoge temperatuur, laserpulsen kunnen de dominante gestreepte evenwichtsorde doen smelten, de weg vrijmaken voor de opkomst van supergeleiding - een fenomeen dat door licht geïnduceerde supergeleiding wordt genoemd. Het fundamentele mechanisme dat dit proces kan helpen verklaren, is nog steeds onderwerp van discussie. "We hebben dit type lichtregeling van superfluïditeit voorgesteld om het principe te demonstreren dat is verondersteld voor door licht geïnduceerde supergeleiding, " legt Ludwig Mathey uit. Met deze bevinding, koude atoomfysica toont een algemene, contra-intuïtief mechanisme voor het regelen van faseovergangen in veellichamensystemen. Het opent een nieuw hoofdstuk van de vastestoffysica waarin wetenschappers niet alleen evenwichtseigenschappen van materie meten, maar ontwerp liever een niet-evenwichtstoestand met gewenste eigenschappen via lichtregeling.