Als je een bak met water in de vriezer gooit, je krijgt ijsblokjes. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de University of Colorado Boulder en de University of Toronto hebben een vergelijkbare overgang bereikt met behulp van wolken van ultrakoude atomen.

In een studie die op 2 augustus in het tijdschrift zal verschijnen wetenschappelijke vooruitgang , het team ontdekte dat het deze kwantummaterialen een duwtje kon geven om overgangen tussen "dynamische fasen" te ondergaan - in wezen, springen tussen twee toestanden waarin de atomen zich op totaal verschillende manieren gedragen.

"Dit gebeurt abrupt, en het lijkt op de faseovergangen die we zien in systemen zoals water dat ijs wordt, "Zei co-auteur van de studie Ana Maria Rey. "Maar in tegenstelling tot die bak met ijsblokjes in de vriezer, deze fasen bestaan ​​niet in evenwicht. In plaats daarvan, atomen zijn voortdurend aan het verschuiven en evolueren in de tijd."

De bevindingen, voegde ze eraan toe, bieden een nieuw venster op materialen die moeilijk te onderzoeken zijn in het laboratorium.

"Als je wilt, bijvoorbeeld, een kwantumcommunicatiesysteem ontwerpen om signalen van de ene plaats naar de andere te sturen, alles zal uit balans zijn, " zei Rey, een collega bij JILA, een gezamenlijk instituut tussen CU Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST). "Een dergelijke dynamiek zal het belangrijkste probleem zijn om te begrijpen als we wat we weten willen toepassen op kwantumtechnologieën."

Wetenschappers hebben eerder soortgelijke overgangen waargenomen in ultrakoude atomen, maar alleen tussen enkele tientallen geladen atomen, of ionen.

Rey en haar collega's, in tegenstelling tot, veranderd in wolken bestaande uit tienduizenden ongeladen, of neutraal, fermionische atomen. Fermionische atomen, ze zei, zijn de introverte mensen van het periodiek systeem der elementen. Ze willen hun ruimte niet delen met hun mede-atomen, waardoor ze moeilijker te controleren zijn in koude atoomlaboratoria.

"We zwierven echt door een nieuw gebied, niet wetend wat we zouden vinden, " zei co-auteur Joseph Thywissen, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Toronto.

Om door dat nieuwe gebied te navigeren, de onderzoekers maakten gebruik van de zwakke interacties die wel voorkomen tussen neutrale atomen, maar alleen wanneer die atomen in een beperkte ruimte tegen elkaar botsen.

Eerst, Thywissen en zijn team in Canada koelden een gas bestaande uit neutrale kaliumatomen af ​​tot slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. Volgende, ze stemden de atomen zo af dat hun "spins" allemaal in dezelfde richting wezen.

Dergelijke spins zijn een natuurlijke eigenschap van alle atomen, Thywissen legde uit, een beetje zoals het magnetisch veld van de aarde, die momenteel naar het noorden wijst.

Toen de atomen allemaal in formatie stonden, de groep paste ze vervolgens aan om te veranderen hoe sterk ze met elkaar omgingen. En daar begon de pret.

"We hebben het experiment uitgevoerd met behulp van één soort magnetisch veld, en de atomen dansten op één manier, "Zei Thywissen. "Later, we deden het experiment opnieuw met een ander magnetisch veld, en de atomen dansten op een heel andere manier."

In de eerste dans - of toen de atomen nauwelijks interactie hadden - vielen deze deeltjes in chaos. De atomaire spins begonnen in hun eigen tempo te draaien en wezen snel allemaal in verschillende richtingen.

Zie het alsof je in een kamer staat vol met duizenden klokken met secondewijzers die allemaal op verschillende tempo's tikken.

Maar dat was slechts een deel van het verhaal. Toen de groep de sterkte van de interacties tussen atomen verhoogde, ze gedroegen zich niet meer als ongeordende individuen en meer als een collectief. Hun spins tikten nog steeds, met andere woorden, maar ze tikten synchroon.

In deze synchrone fase "de atomen zijn niet langer onafhankelijk, " zei Peiru He, een afgestudeerde student natuurkunde aan CU Boulder en een van de hoofdauteurs van het nieuwe artikel. "Ze voelen elkaar, en de interacties zullen hen ertoe brengen om op elkaar af te stemmen."

Met de juiste aanpassingen, de groep ontdekte ook dat het iets anders kon doen:de tijd terugdraaien, waardoor zowel de gesynchroniseerde als de ongeordende fasen terugkeren naar hun oorspronkelijke staat.

Uiteindelijk, de onderzoekers konden die twee verschillende dynamische fasen van materie slechts ongeveer 0,2 seconden vasthouden. Als ze die tijd kunnen verlengen, Hij zei, ze kunnen misschien nog interessantere waarnemingen doen.

"Om rijkere natuurkunde te zien, we moeten waarschijnlijk langer wachten, " Hij zei.