Zoals het verhaal gaat, de Griekse wiskundige en knutselaar Archimedes kwam tijdens een reis door het oude Egypte een uitvinding tegen die later zijn naam zou dragen. Het was een machine die bestond uit een schroef die in een holle buis was gehuisvest en die tijdens het draaien water opsloot en aanzuigde. Nutsvoorzieningen, onderzoekers onder leiding van fysicus Benjamin Lev van Stanford University hebben een kwantumversie van de schroef van Archimedes ontwikkeld die, in plaats van water, vervoert fragiele verzamelingen gasatomen naar hogere en hogere energietoestanden zonder in te storten. Hun ontdekking wordt gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd op 14 januari in Wetenschap .

"Mijn verwachting van ons systeem was dat de stabiliteit van het gas maar een klein beetje zou verschuiven, " zei Lev, die universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde en natuurkunde is aan de School of Humanities and Sciences van Stanford. "Ik had niet verwacht dat ik een dramatische, volledige stabilisatie ervan. Dat ging mijn stoutste voorstelling te boven."

Onderweg, de onderzoekers observeerden ook de ontwikkeling van littekentoestanden - uiterst zeldzame banen van deeltjes in een anders chaotisch kwantumsysteem waarin de deeltjes herhaaldelijk hun stappen volgen als sporen die elkaar overlappen in het bos. Littekentoestanden zijn van bijzonder belang omdat ze een beschermd toevluchtsoord kunnen bieden voor informatie die is gecodeerd in een kwantumsysteem. Het bestaan ​​van littekentoestanden binnen een kwantumsysteem met veel interagerende deeltjes - bekend als een kwantum veellichamensysteem - is pas onlangs bevestigd. Het Stanford-experiment is het eerste voorbeeld van de littekentoestand in een veellichamenkwantumgas en pas de tweede echte waarneming van het fenomeen ooit.

Super en stabiel

Lev is gespecialiseerd in experimenten die ons begrip vergroten van hoe verschillende delen van een kwantumveellichamensysteem tot dezelfde temperatuur of hetzelfde thermisch evenwicht komen. Dit is een opwindend onderzoeksgebied omdat weerstand bieden aan deze zogenaamde "thermalisatie" de sleutel is tot het creëren van stabiele kwantumsystemen die nieuwe technologieën kunnen aandrijven, zoals kwantumcomputers.

In dit experiment, het team onderzocht wat er zou gebeuren als ze een zeer ongebruikelijk experimenteel systeem met veel lichamen zouden aanpassen, een super Tonks-Girardeau-gas genoemd. Dit zijn zeer geëxciteerde eendimensionale kwantumgassen - atomen in gasvormige toestand die beperkt zijn tot een enkele bewegingslijn - die zo zijn afgestemd dat hun atomen extreem sterke aantrekkende krachten voor elkaar ontwikkelen. Wat super aan hen is, is dat, zelfs onder extreme krachten, ze zouden in theorie niet in een balachtige massa moeten instorten (zoals normale aantrekkelijke gassen zullen doen). Echter, in praktijk, ze storten in vanwege experimentele onvolkomenheden. Lev, die een voorliefde heeft voor het sterk magnetische element dysprosium, vroeg zich af wat er zou gebeuren als hij en zijn studenten een super Tonks-Girardeau-gas met dysprosiumatomen zouden creëren en hun magnetische oriëntaties 'precies zo' zouden veranderen. Misschien zouden ze instorting net iets beter weerstaan ​​dan niet-magnetische gassen?

"De magnetische interacties die we konden toevoegen waren erg zwak in vergelijking met de aantrekkelijke interacties die al in het gas aanwezig waren. Dus, onze verwachtingen waren dat er niet veel zou veranderen. We dachten dat het nog zou instorten, gewoon niet zo gemakkelijk." zei Lev, die ook lid is van Stanford Ginzton Lab en Q-FARM. "Wauw, hadden we het mis."

Hun dysprosiumvariatie produceerde uiteindelijk een super Tonks-Girardeau-gas dat hoe dan ook stabiel bleef. De onderzoekers wisselden het atomaire gas tussen de aantrekkelijke en afstotende omstandigheden, verheffen of "schroeven" van het systeem naar hogere en hogere energietoestanden, maar de atomen stortten nog steeds niet in.

Bouwen vanaf de basis

Hoewel er geen onmiddellijke praktische toepassingen van hun ontdekking zijn, het Lev-lab en hun collega's ontwikkelen de wetenschap die nodig is om die kwantumtechnologierevolutie aan te sturen waarvan velen voorspellen dat die eraan komt. Voor nu, zei Lev, de fysica van kwantum veel-lichamensystemen die uit evenwicht zijn, blijft consequent verrassend.

"Er is nog geen leerboek op de plank dat je kunt gebruiken om je te vertellen hoe je je eigen kwantumfabriek kunt bouwen, " zei hij. "Als je de kwantumwetenschap vergelijkt met waar we waren toen we ontdekten wat we moesten weten om chemische fabrieken te bouwen, zeggen, het is alsof we nu het late 19e-eeuwse werk doen."

Deze onderzoekers beginnen pas de vele vragen te onderzoeken die ze hebben over hun kwantumschroef van Archimedes, inclusief hoe deze littekentoestanden wiskundig kunnen worden beschreven en als het systeem thermaliseert - wat het uiteindelijk moet doen - hoe het dat doet. Meer onmiddellijk, ze zijn van plan om het momentum van de atomen in de littekentoestanden te meten om een ​​solide theorie te ontwikkelen over waarom hun systeem zich gedraagt ​​​​zoals het doet.

De resultaten van dit experiment waren zo onverwacht dat Lev zegt dat hij niet goed kan voorspellen welke nieuwe kennis zal komen van een diepere inspectie van de kwantumschroef van Archimedes. Maar dat, hij maakt duidelijk, is misschien wel het experimenteel denken op zijn best.

"Dit is een van de weinige keren in mijn leven dat ik aan een experiment heb gewerkt dat echt experimenteel was en geen demonstratie van bestaande theorie. Ik wist vooraf niet wat het antwoord zou zijn, " zei Lev. "Toen vonden we iets dat echt nieuw en onverwacht was en dat doet me zeggen, 'Yay experimentatoren!'"