Pak een mengkom uit je keuken, gooi er een handvol aluminium ballen in, enige hoogspanning toepassen, en kijk hoe een elegante dans zich ontvouwt waarbij deeltjes zichzelf herschikken tot een duidelijk "kristallen" patroon. Dit merkwaardige gedrag behoort tot het fenomeen dat bekend staat als Wigner-kristallisatie, waar deeltjes met dezelfde elektrische lading elkaar afstoten om een ​​geordende structuur te vormen.

Wigner-kristallisatie is waargenomen in verschillende systemen, variërend van deeltjes ter grootte van zandkorrels die zijn gesuspendeerd in kleine wolken van elektronen en ionen (een stoffig plasma genoemd) tot het dichte binnenste van sterren ter grootte van een planeet, bekend als witte dwergen. Professor Alex Bataller van de North Carolina State University heeft onlangs ontdekt dat Wigner-kristallisatie in witte dwergen in het laboratorium kan worden bestudeerd met behulp van een nieuwe klasse van klassieke systemen. zwaartekrachtkristallen genoemd.

Om het merkwaardige gedrag van Wigner-kristallisatie te laten plaatsvinden, er moet een systeem zijn dat bestaat uit geladen deeltjes die beide vrij kunnen bewegen (plasma), die sterk met elkaar interageren (sterk gekoppelde deeltjes), en heeft de aanwezigheid van een beperkende kracht om te voorkomen dat de plasmadeeltjes weerzinwekkend uit elkaar exploderen.

Om deze voorwaarde voor kleine schalen in het laboratorium te bestuderen, Dr. Bataller bedacht een nieuwe opstelling die metalen bollen in contact brengt met een hoogspanningsbegrenzend oppervlak, die de bollen oplaadt door honderden miljoenen elektronen naar hun oppervlak over te brengen, en verhoogt daardoor de afstoting van deeltjes, en houdt ook de deeltjes binnen. In aanvulling, wanneer de bollen over het oppervlak rollen, hun beweging produceert wrijving die snel de kinetische energie vermindert en een sterke koppeling bevordert.

Het belangrijkste inzicht dat de huidige ontdekking mogelijk maakte, was om de zwaartekracht als beperkende kracht te gebruiken. Op deze manier, kleine geladen bollen kunnen door de zwaartekracht worden opgesloten met behulp van een eenvoudige geometrie... een kom.

Door zwaartekracht opsluiting te gebruiken, Dr. Bataller ontdekte dat Wigner-kristallisatie ook kan worden uitgebreid tot macroscopische afmetingen met deeltjes die een miljoen keer massiever zijn dan zijn stoffige plasma-neef, die nu kan worden gebruikt om andere kristalsystemen te bestuderen. Bijvoorbeeld, zwaartekrachtkristallen kunnen een merkwaardig kenmerk van witte dwergsterren simuleren, sedimentatie genaamd. Onlangs is ontdekt dat gelaagde kristallagen zich kunnen vormen binnen witte dwergsterren die zuurstof en koolstof bevatten, waar de zwaardere zuurstof naar de kern "zakt". De zwaartekrachtkristalrangschikking reproduceert dit gelaagdheidseffect bij het toepassen van hoogspanning op een aanvankelijk gemengd systeem van koperen en aluminium ballen. Analoog aan sedimentatie in witte dwergsterren, de koperen ballen trekken naar het midden van de kom terwijl ze een kristalstructuur behouden.

De plasma-eigenschappen en externe omgeving van een zwaartekrachtkristal en een witte dwergster zijn zo verschillend als je je kunt voorstellen, toch vertonen beide systemen hetzelfde gedrag, die spreekt over de robuuste aard van Wigner-kristallisatie.

"De rijke diversiteit aan systemen waar we Wigner-kristallisatie hebben waargenomen, is een direct gevolg van het schaalonafhankelijke karakter ervan, "Zei Dr. Bataller. "Zwaartekrachtkristallen breiden dit fenomeen uit tot menselijke dimensies terwijl ze minimale middelen nodig hebben. Wat me het meest opwindt aan dit nieuwe platform, is dat vrijwel elk nieuwsgierig individu deze fascinerende staat van materie kan nabootsen die, tot nu, is beperkt tot experimenten van miljoenen dollars en binnen het dichte binnenste van sterren."