Inschrijven Natuur , onderzoekers beschrijven de eerste waarneming van 'self-organized criticality' in een gecontroleerd laboratoriumexperiment. In de wiskunde en natuurkunde bestaan ​​complexe systemen, maar komen ook voor in de natuur en de samenleving. Het concept van zelfgeorganiseerde kriticiteit stelt dat zonder externe input, complexe systemen in niet-evenwicht hebben de neiging zich te ontwikkelen tot een kritieke toestand ver weg van een stabiel evenwicht. Op die manier, ze versterken hun eigen niet-evenwicht.

Systemen die op het eerste gezicht heel anders zijn, zoals de verspreiding van informatie in sociale netwerken of de verspreiding van brand of ziekte, vergelijkbare kenmerken kunnen hebben. Een voorbeeld is een lawine-achtig gedrag dat zichzelf versterkt in plaats van tot stilstand te brengen. Echter, deze complexe systemen zijn zeer moeilijk te bestuderen onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden.

Voor de eerste keer, onderzoekers van het European Centre for Quantum Sciences (CESQ) in Straatsburg, in samenwerking met onderzoekers van de universiteiten van Keulen en Heidelberg en het California Institute of Technology, zijn erin geslaagd de belangrijkste kenmerken van zelfgeorganiseerde kriticiteit in een gecontroleerd experiment te observeren, inclusief universeel lawinegedrag.

Het team werkte met een gas bestaande uit kaliumatomen, die ze bij zeer lage temperaturen bereidden, dicht bij het absolute nulpunt. "In deze staat, het gas is gemakkelijker te regelen, waardoor het meer geschikt is voor het bestuderen van de fundamentele kwantumeigenschappen van atomen, " zei professor Shannon Whitlock van het Instituut voor Supramoleculaire Wetenschap en Technologie aan de Universiteit van Straatsburg.

Door gasatomen te stimuleren met lasers, het team was in staat om de interacties tussen deze atomen te beïnvloeden. "Als je gestimuleerd wordt, de atomen kunnen ofwel nieuwe secundaire stimulaties genereren of spontaan ontladen, " legde Tobias Wintermantel uit, een doctoraal onderzoeker in het team van Whitlock.

Toen de laser werd ingeschakeld, veel atomen ontsnapten aanvankelijk heel snel. Hun resterende aantal in het gas stabiliseerde zich op dezelfde waarde. Ook, het aantal resterende deeltjes was afhankelijk van de intensiteit van de laser. "Als we onze laboratoriumresultaten vergelijken met een theoretisch model, we zagen dat deze twee effecten dezelfde oorsprong hebben, " zei de theoretisch fysicus Professor Sebastian Diehl van de Universiteit van Keulen. Dit was een eerste indicatie van het fenomeen van zelfgeorganiseerde kriticiteit.

"De experimenten toonden aan dat sommige systemen zichzelf ontwikkelen tot hun kritieke punt van faseovergang, " Diehl toegevoegd. Dit is verrassend:in een typische faseovergang, als kokend water dat van vloeibaar in gas verandert, er is maar één kritiek punt. In kokend water, zelfgeorganiseerde kriticiteit zou betekenen dat het systeem automatisch in een toestand van suspensie tussen vloeistof en gas zou blijven op het kritische overgangspunt, zelfs als de temperatuur zou worden veranderd. Tot dusver, dit concept is nog nooit geverifieerd en getest in zo'n goed controleerbaar fysiek systeem.

Na het experiment, het team keerde terug naar het laboratorium om een ​​ander opvallend kenmerk van zelfgeorganiseerde kriticiteit te bevestigen:een zichzelf in stand houdend gedrag van atomair verval, vergelijkbaar met die van continu aangevulde lawines. Soortgelijke kenmerken zijn in het verleden al kwalitatief waargenomen in andere gevallen, zoals aardbevingen of zonne-uitbarstingen. "Voor de eerste keer, we observeerden de belangrijkste elementen van zelfgeorganiseerde kriticiteit kwantitatief in het laboratorium. We waren in staat om een ​​zeer controleerbaar atomair experimenteel systeem op te zetten, ' zei Shannon Whitlock.

In verdere stappen, de wetenschappers willen nu onderzoeken hoe de kwantumaard van atomen het zelforganisatiemechanisme beïnvloedt. "Op de lange termijn, dit kan bijdragen aan het creëren van nieuwe kwantumtechnologieën of aan het oplossen van rekenproblemen die voor normale computers moeilijk zijn, ’ concludeerde Diehl.

Het fenomeen van zelfgeorganiseerde kriticiteit werd voor het eerst ontwikkeld voor lawines in 1987 door natuurkundigen Per Bak, Chao Tang en Kurt Wiesenfeld. Verdere modellen van andere onderzoekers voor evolutie, bosbranden en aardbevingen volgden. Tot dusver, er zijn geen algemene voorwaarden geïdentificeerd die zelfgeorganiseerde kriticiteit veroorzaken.