De kwantumeigenschappen die ten grondslag liggen aan kristalvorming kunnen worden gerepliceerd en onderzocht met behulp van ultrakoude atomen. Een team onder leiding van Dr. Axel U.J. Lode van het Institute of Physics van de Universiteit van Freiburg heeft nu in het tijdschrift beschreven Fysieke beoordelingsbrieven hoe het gebruik van dipolaire atomen zelfs de realisatie en nauwkeurige meting van structuren mogelijk maakt die nog niet in enig materiaal zijn waargenomen. De theoretische studie was een samenwerking tussen wetenschappers van de Universiteit van Freiburg, de Universiteit van Wenen en de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk, en het Indian Institute of Technology in Kanpur, Indië.

Kristallen zijn alomtegenwoordig in de natuur. Ze worden gevormd door veel verschillende materialen - van minerale zouten tot zware metalen zoals bismut. Hun structuren ontstaan ​​omdat een bepaalde regelmatige ordening van atomen of moleculen gunstig is, omdat het de minste hoeveelheid energie vereist. Een kubus met één bestanddeel op elk van de acht hoeken, bijvoorbeeld, is een kristalstructuur die veel voorkomt in de natuur. De structuur van een kristal bepaalt veel van zijn fysieke eigenschappen, zoals hoe goed het een stroom of warmte geleidt of hoe het barst en zich gedraagt ​​​​wanneer het wordt verlicht door licht. Maar wat bepaalt deze kristalstructuren? Ze ontstaan ​​als gevolg van de kwantumeigenschappen van en de interacties tussen hun bestanddelen, die, echter, zijn vaak wetenschappelijk moeilijk te begrijpen en ook moeilijk te meten.

Om toch de kwantumeigenschappen van de vorming van kristalstructuren tot op de bodem uit te zoeken, wetenschappers kunnen het proces simuleren met behulp van Bose-Einstein-condensaten - opgesloten ultrakoude atomen die zijn afgekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt of min 273,15 graden Celsius. De atomen in deze uiterst kunstmatige en uiterst fragiele systemen zijn buitengewoon goed onder controle.

Met zorgvuldige afstemming, de ultrakoude atomen gedragen zich precies alsof ze de bestanddelen zijn die een kristal vormen. Hoewel het bouwen en gebruiken van zo'n kwantumsimulator een zwaardere taak is dan alleen het kweken van een kristal uit een bepaald materiaal, de methode biedt twee belangrijke voordelen:ten eerste, wetenschappers kunnen de eigenschappen voor de kwantumsimulator bijna naar believen afstemmen, wat niet mogelijk is voor conventionele kristallen. Tweede, de standaarduitlezing van koude-atoomkwantumsimulatoren zijn afbeeldingen met informatie over alle kristaldeeltjes. Voor een conventioneel kristal, daarentegen, alleen de buitenkant is zichtbaar, terwijl het interieur - en in het bijzonder de kwantumeigenschappen - moeilijk waar te nemen is.

De onderzoekers uit Freiburg, Wenen, en Kanpur beschrijven in hun onderzoek dat een kwantumsimulator voor kristalvorming veel flexibeler is wanneer deze is gebouwd met ultrakoude dipolaire kwantumdeeltjes. Dipolaire kwantumdeeltjes maken het mogelijk om niet alleen conventionele kristalstructuren te realiseren en te onderzoeken, maar ook arrangementen die tot nu toe voor geen enkel materiaal werden gezien. De studie legt uit hoe deze kristalorden ontstaan ​​uit een intrigerende competitie tussen kinetische, potentieel, en interactie-energie en hoe de structuren en eigenschappen van de resulterende kristallen in ongekend detail kunnen worden gemeten.