Over het algemeen, materie bestaat in drie verschillende vormen:als een vaste stof, een vloeistof of een gas. Eerder natuurkundig onderzoek, echter, heeft andere merkwaardige toestanden van materie onthuld, een daarvan is supersoliditeit. In supervaste staat, deeltjes zijn gerangschikt in een stijf kristal en kunnen niettemin zonder enige wrijving door de vaste stof stromen. Hoewel dit tegenstrijdig lijkt, deze toestand wordt toegestaan ​​door de wetten van de kwantummechanica.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Aarhus in Denemarken heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de supersoliditeit in dipolaire Bose-Einstein-condensaten (BEC), toestanden van materie waarin afzonderlijke atomen die zijn afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt zich verenigen in een enkele kwantummechanische entiteit. hun studie, te zien in Fysieke beoordelingsbrieven , onthulde een kritiek punt waarop kristallisatie optreedt, en een nieuwe supersolide fase ontstaat, die wordt gekenmerkt door een regelmatig honingraatpatroon met bijna perfecte supervloeibaarheid.

"Meer dan 50 jaar geleden vermoedde supersoliditeit was tot voor kort ongrijpbaar voor waarnemingen, waar nieuwe belofte wordt gegeven door experimenten met zeer verdunde gassen van atomen die worden gekoeld en gevangen door laserlicht bij temperaturen nabij het absolute nulpunt, "Thomas Pohl, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Onder zulke extreme omstandigheden, de atomen kunnen samen een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat vormen, wat een kwantumtoestand is die een ideale wrijvingsloze superfluïde vertegenwoordigt. Echter, men zou natuurlijk niet verwachten dat zo'n verdunde, vrij stromende vloeistof kan kristalliseren. Gefascineerd door het bizarre karakter van de supervaste staat, we wilden begrijpen of dit toch mogelijk zou zijn als de atomen op een geschikte manier met elkaar in wisselwerking stonden."

In het begin van de jaren 2000, onderzoekers stelden dipolaire Bose Einstein-condensaten voor, gevormd door deeltjes die, net als kleine magneetjes, kunnen elkaar over grote afstanden aantrekken en afstoten. In hun studie hebben Pohl en zijn collega's Yongchang Zhang en Fabian Maucher merkten op dat kwantumfluctuaties in dergelijke dipolaire condensaten kunnen leiden tot kristallisatie op een kritiek punt (d.w.z. een punt in het fasediagram waar twee fasen van een stof niet meer van elkaar te onderscheiden zijn).

Dit betekent in wezen dat dipolaire condensaten, in feite, superstevig zijn, dat is waar de onderzoekers op hadden gehoopt toen ze aan hun onderzoek begonnen. Hun berekeningen, echter, leverde nog meer verrassingen op, specifiek gerelateerd aan de manier waarop de kwantumvloeistof kristalliseerde.

"Als we een ijsblokje in een glas water doen, het duurt even voordat het volledig gesmolten is, " vertelde Zhang aan Phys.org. "Met andere woorden, water kan in vloeibare en vaste vorm naast elkaar bestaan ​​tijdens het smelten of bevriezen, en dit gedrag is typisch voor veel andere stoffen. Tot onze verbazing, we ontdekten dat onze supervaste stof op een eigenaardige manier bevriest, waarbij de atomen ofwel volledig vloeibaar ofwel volledig vast zijn, en de vloeistof en het kristal worden vrijwel identiek precies op het punt waar de twee fasen transformeren zonder naast elkaar te bestaan."

De analyses uitgevoerd door Pohl, Zhang en Maucher onthulden een nieuw soort supersolid die heel anders was dan ze aanvankelijk hadden verwacht. In plaats van atomen te rangschikken op een typisch rooster, de dipolaire kwantumvloeistof bleek een honingraatvormige structuur van kanalen te vormen.

Maar in tegenstelling tot honing, wat een stroperige vloeistof is, in deze structuur, de dipolaire atomen kunnen vrij langs de randen van de superfluïde "honingraat" bewegen. De onderzoekers vonden deze eigenaardige vorm van materie, waarin deeltjes kunnen stromen over een regelmatig netwerk dat puur door de vloeistof zelf wordt bijeengehouden en met een viscositeit van vrijwel nul, buitengewoon fascinerend.

"Onze theoretische studie was gebaseerd op de analyse en numerieke simulatie van de macroscopische kwantummechanische golffunctie die de toestand van de dipolaire atomen in het Bose-Einstein-condensaat beschrijft, " Fabian Maucher, een andere onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Zoals in eerder werk werd opgemerkt, een bijzonder belangrijk aspect is het opnemen van kwantummechanische correlaties en kwantumfluctuaties in de beschrijving. In feite, het blijkt dat de vaste honingraat en zijn ongebruikelijke bevriezingsgedrag worden vergemakkelijkt door dergelijke kwantumfluctuaties, en zou anders niet bestaan."

Het onderzoek van Pohl, Zhang en Maucher introduceren een nieuw type supersolid state, die, zoals hun bevindingen suggereren, kan worden teruggevoerd op de effecten van kwantumfluctuaties in dipolaire condensaten. In de toekomst, ze zijn van plan deze bevindingen verder te onderzoeken en meer studies uit te voeren die zich richten op dipolaire Bose-Einstein-condensaten. In de tussentijd, andere onderzoeksteams onderzoeken ook het gedrag van dipolaire kwantumvloeistoffen, zowel in theorie als experimenten.

"Zeer onlangs, drie experimentele groepen van de Universiteit van Stuttgart, de Universiteit van Florence en de Universiteit van Innsbruck hebben onafhankelijk de vorming van supervaste kwantumdruppeltjes op micronschaal geobserveerd, opgesteld op regelmatige arrays, " zei Zhang. "Deze experimentele prestaties bieden veelbelovende vooruitzichten, en het zal een belangrijke vraag zijn om te verduidelijken onder welke omstandigheden onze theoretische voorspellingen kunnen worden waargenomen met dipolaire atomen. Zeker, dipolaire kwantumvloeistoffen zijn een opwindend nieuw platform geworden voor supersolide gedrag dat ons begrip zal blijven uitdagen en verrassingen en nieuwe inzichten zal onthullen over deze fascinerende kwantumtoestand van materie."

© 2019 Wetenschap X Netwerk