supervaste stoffen, vaste materialen met supervloeibare eigenschappen (d.w.z. waarin een stof kan stromen zonder viscositeit), zijn onlangs de focus geworden van tal van natuurkundestudies. Supervaste stoffen zijn paradoxale fasen van materie waarin twee verschillende en enigszins tegengestelde orden naast elkaar bestaan, wat resulteert in een materiaal dat zowel kristal als supervloeibaar is.

Voor het eerst voorspeld eind jaren 60, supersoliditeit is geleidelijk de focus geworden van een groeiend aantal onderzoeken, debat aanwakkeren over verschillende wetenschappelijke gebieden. Een aantal jaar geleden, bijvoorbeeld, een team van onderzoekers publiceerde controversiële resultaten die deze fase in vast helium identificeerden, die later werden afgewezen door de auteurs zelf.

Een belangrijk punt van dit onderzoek was dat het geen rekening hield met de complexiteit van helium en de onbetrouwbare waarnemingen die het soms kan produceren. In aanvulling, in atomen, interacties zijn doorgaans erg sterk en stabiel, waardoor het moeilijker wordt om deze fase te laten plaatsvinden.

Dipolaire kwantumgassen bevinden zich aan het andere uiterste van structuren zoals vast helium, omdat ze zijn samengesteld uit ultrakoude magnetische atomen in de gasfase, gekoeld tot nanokelvin-temperaturen. In deze gassen daarom, interacties tussen atomen zijn zwak, maar ze hebben ook een groot bereik en zijn afstembaar met extern gestuurde magnetische velden.

Vanwege hun hoge mate van afstembaarheid, een paar jaar geleden, kwantumgassen kwamen steeds vaker voor in theorievoorstellen voor supersoliditeit. De eerste experimenten met gassen gekoppeld aan lichtvelden toonden toestanden met supervaste eigenschappen, maar in deze staten, de vaste stof bleef onsamendrukbaar.

Eindelijk, een paar maanden geleden, drie onderzoeksgroepen die ultrakoude gassen van sterk magnetische atomen onderzoeken (een Duitse groep onder leiding van Tilman Pfau, een Italiaanse groep onder leiding van Giovanni Modugno en een groep onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck en het Institut für Quantenoptik und Quanteninformation onder leiding van Francesca Ferlaino), gelijktijdig gepubliceerde waarnemingen van toestanden met supersolide eigenschappen.

"We waren in staat om te bewijzen dat in bepaalde interactieomstandigheden, het magnetische gas onderging een faseovergang naar een supervaste toestand, met zowel spontane dichtheidsmodulatie (d.w.z. kristal) en globale fase-coherentie (d.w.z. supervloeibaar), " vertelden de in Innsbruck gevestigde onderzoekers Phys.org via e-mail. "Opmerkelijk, de supervaste eigenschappen komen echt voort uit de naakte interacties tussen de deeltjes, die een sterke dipool-dipoolbijdrage hebben."

Voortbouwend op deze eerdere resultaten, het onderzoeksteam onder leiding van Francesca Farlaino voerde een nieuw onderzoek uit naar het excitatiespectrum van een gevangen dipolaire supervaste stof, interessante nieuwe waarnemingen te verzamelen. Deze studie is een belangrijke stap voorwaarts in het onthullen hoe de supervaste toestand van materie reageert op excitaties.

"Om supersoliditeit te onderzoeken, het is belangrijk om te bewijzen dat de supervloeibare en kristalachtige aard van een systeem anders reageren op verstoringen, " legden de onderzoekers uit. "Meer in het algemeen, in de kwantumfysica, elk systeem heeft intrinsieke excitatiemodi die kenmerkend zijn voor hoe het reageert op een verstoring. Bijvoorbeeld, een beknelde gitaarsnaar reageert alleen met een bepaalde frequentie, een helder geluid maken, die een geoefend oor zou kunnen herkennen als een specifieke noot, het schatten van de kenmerken van de snaar. Hetzelfde geldt voor een kwantumsysteem; het excitatiespectrum onthult intieme informatie over zijn intrinsieke karakter. Het onderzoeken van de excitaties van de supervaste stof kan dus nieuwe en diepere inzichten in deze intrigerende fase mogelijk maken."

De door de onderzoekers waargenomen reacties komen overeen met theoretische voorspellingen die verband houden met supervaste stoffen, wat suggereert dat ze met succes een supervaste toestand hebben waargenomen. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , richt zich specifiek op het spectrum van elementaire excitaties van een dipolair Bose-gas dat in een 3-D anisotrope val wordt geplaatst terwijl het de overgang ondergaat tussen supervloeibaar en supervast.

"We hebben een belangrijke stap voorwaarts gemaakt door de reactie op excitaties van systemen te bestuderen, " vertelden de onderzoekers aan Phys.org. "De manier waarop een systeem reageert, vertelt je veel over het systeem zelf. Het is voldoende om na te denken over een externe opwinding waarbij men een steen op een systeem gooit, en hoe anders is de reactie als men deze steen in de zee of tegen een muur gooit. Dit is slechts een voorbeeld; in plaats van een steen te gooien, we bestuderen de samendrukbaarheid van het systeem."

In hun studie hebben Ferlaino en haar collega's onderzochten in wezen de excitatiemodi van de supervaste toestand geproduceerd uit een kwantumgas van erbiumatomen in een sigaarvormige val gemaakt van licht door de waarde van een extern magnetisch veld te veranderen. In deze experimentele opstelling de dichtheidsmodulatie verscheen spontaan langs de val, terwijl het systeem vloeibaar bleef.

De onderzoekers prikkelden het systeem vervolgens wereldwijd door de val te verstoren in dezelfde richting waarin de dichtheidsmodulatie was verschenen. Dit resulteerde in de excitatie van verschillende modi, die ze onderzochten door de verandering in de patronen van de materiegolfinterferentie van het gas met zichzelf (verkregen door het gas te laten uitzetten) in de loop van de tijd waar te nemen.

"In ons werk we identificeren de verschillende elementaire excitatiemodi door een modelvrije statistische analyse toe te passen, genaamd Principal Component Analysis, op de tijdsevolutie van de patronen die we hebben waargenomen, " zeiden de onderzoekers. "Onze meest betekenisvolle observatie was dat het gelijktijdige bestaan ​​van de twee orden -kristal en superfluïde- in een supervaste stof zich vertaalt in opmerkelijke eigenschappen van het spectrum van elementaire excitatie, die we verder hebben onderzocht in ons werk."

Eerdere studies suggereren dat bij de thermodynamische limiet (d.w.z. in oneindige systemen), het bestaan ​​van zowel kristal- als superfluïde eigenschappen produceert twee takken in het excitatiespectrum, elk van hen wordt geassocieerd met een van de bestellingen. Dit resulteert in modi die ofwel trillingen van de kristalstructuur of stroming van de superfluïde zijn, respectievelijk. In hun studie hebben Ferlaino en haar collega's toonden, zowel theoretisch als experimenteel, dat dit sleutelkenmerk van het supersolide spectrum voorkomt in laboratoriumsystemen waar slechts enkele kristallocaties aanwezig zijn.

"Experimenteel, we hebben waargenomen dat de reactie van het systeem op ons globale excitatieschema verandert van één naar meerdere opgewonden modi wanneer het systeem overgaat van een gewone superfluïde naar een supersolide, als gevolg van de veelheid van de excitatietak in het systeem, " legden de onderzoekers uit. "Belangrijk, één klasse van de aangeslagen modi heeft een afnemende energiekost wanneer dieper in het supersolide regime wordt bewogen, d.w.z., wanneer het supervloeibare karakter van de fase wordt verminderd. Een dergelijk gedrag kenmerkt de modi die een superfluïde stroming binnen de druppelreeks veroorzaken."

De onderzoekers ontdekten dat terwijl in het Bose-Einstein-condensaatregime het systeem dat ze onderzochten een gewone vierpolige oscillatie vertoonde, in het supersolide regime produceerde het een intrigerende respons op twee frequenties. Deze reactie wordt geassocieerd met de twee spontaan verbroken symmetrieën van het systeem.

De studie uitgevoerd door Ferlaino en haar collega's levert het bewijs van de mogelijkheid van superfluïde stroming in de supervaste toestand, terwijl zijn stevige elasticiteit gevoelig is. Om hun waarnemingen vast te stellen, echter, de onderzoekers zouden ook de rotatie van de superfluïde stroom moeten bewijzen, bijvoorbeeld door wervelingen te observeren. Dit is een van de vele dingen die ze hopen te bereiken in hun toekomstige werk.

"Het verhaal van supervast dipolair gas is nog steeds een onvolledig boek en er moeten nog veel hoofdstukken worden geschreven, " zeiden de onderzoekers. "Bijvoorbeeld, hoe evolueert de superfluïde fractie langs het fasediagram? Wat is de aard van de superfluïde stroom in een dergelijk systeem en hoe reageert het systeem op rotatie of op een lokale verstoring? Wat zijn de andere kenmerken van het excitatiespectrum van de supervaste stof, met betrekking tot zowel de vaste elasticiteit als de supervloeibare fractie? Dit zijn slechts enkele van de opwindende richtingen die we in de toekomst zouden kunnen verkennen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk