Faseovergangen beschrijven dramatische veranderingen in eigenschappen van een macroscopisch systeem, zoals de overgang van een vloeistof naar een gas. Uitgaande van individuele ultrakoude atomen, Natuurkundigen van de Universiteit van Heidelberg konden de opkomst van zo'n overgang met een toenemend aantal deeltjes waarnemen. Het onderzoekswerk werd uitgevoerd op het gebied van de kwantumfysica onder leiding van Prof. Dr. Selim Jochim van het Instituut voor Natuurkunde.

Om effectieve theorieën in de natuurkunde te formuleren, microscopische details worden terzijde geschoven ten gunste van macroscopisch waarneembare grootheden. Een kopje water kan worden beschreven door eigenschappen als druk, temperatuur en dichtheid van de vloeistof, terwijl de positie en snelheid van de individuele watermoleculen niet relevant zijn. Een faseovergang beschrijft de verandering van een macroscopisch systeem van één toestand van materie, zoals vloeistof, naar een andere toestand, als gasvormig. De eigenschappen van macroscopische systemen - zogenaamde veellichamensystemen - kunnen als emergent worden omschreven omdat ze het resultaat zijn van de interactie van individuele componenten die zelf deze eigenschappen niet bezitten.

"Ik ben al lang geïnteresseerd in hoe deze dramatische macroscopische verandering bij een faseovergang naar voren komt uit de microscopische beschrijving, " zegt Selim Jochim. Om deze vraag te beantwoorden, de onderzoekers ontwierpen een experiment waarin ze een systeem assembleerden van individuele ultrakoude atomen. Met behulp van deze kwantumsimulator, ze onderzochten hoe collectief gedrag ontstaat in een microscopisch systeem. Hiertoe, ze vingen tot twaalf atomen op in een strak gefocuste laserstraal. In dit kunstmatige systeem is het mogelijk om de interactiesterkte tussen de atomen continu af te stemmen van niet-interactie naar de grootste energieschaal in het systeem. "Aan de ene kant, het aantal deeltjes in het systeem is klein genoeg om het systeem microscopisch te beschrijven. Anderzijds, collectieve effecten zijn al zichtbaar, " legt Luca Bayha uit, een postdoc in het team van prof. Jochim.

In hun experiment hebben de fysici van Heidelberg hebben de kwantumsimulator zo geconfigureerd dat de atomen elkaar aantrekken, en als de aantrekkingskracht sterk genoeg is, paren vormen. Deze paren atomen zijn het noodzakelijke ingrediënt voor een faseovergang naar een superfluïde - een toestand waarin de deeltjes zonder wrijving stromen. De huidige experimenten waren gericht op het ontstaan ​​van de paarvorming als functie van de interactiesterkte en het deeltjesaantal. "Het verrassende resultaat van ons experiment is dat slechts zes atomen alle kenmerken vertonen van een faseovergang die verwacht wordt voor een systeem met veel deeltjes, " voegt Marvin Holten toe, een doctoraatsstudent in de groep van prof. Jochim.