Kwantummaterie kan tegelijkertijd vast en vloeibaar zijn - een situatie die bekend staat als supersoliditeit. Onderzoekers onder leiding van Francesca Ferlaino hebben nu voor het eerst dit fascinerende pand langs twee dimensies gecreëerd. Ze rapporteren nu in het journaal Natuur over de realisatie van supersoliditeit langs twee assen van een ultrakoud kwantumgas. Het experiment biedt veel mogelijkheden voor verder onderzoek naar deze exotische toestand van de materie.

Kwantumgassen zijn zeer geschikt om de microscopische gevolgen van interacties in materie te onderzoeken. Vandaag, wetenschappers kunnen individuele deeltjes in extreem gekoelde gaswolken in het laboratorium nauwkeurig controleren, onthullende verschijnselen die in de dagelijkse wereld niet kunnen worden waargenomen. Bijvoorbeeld, de individuele atomen in een Bose-Einstein-condensaat zijn volledig gedelokaliseerd. Dit betekent dat hetzelfde atoom op elk moment op elk punt in het condensaat aanwezig is. Twee jaar geleden, de onderzoeksgroep onder leiding van Francesca Ferlaino van de afdeling Experimentele Fysica van de Universiteit van Innsbruck en het Instituut voor Quantum Optics and Quantum Information van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen in Innsbruck slaagde er voor het eerst in om supervaste toestanden te genereren in ultrakoude kwantumgassen van magnetische atomen. De magnetische interactie zorgt ervoor dat de atomen zichzelf organiseren in druppeltjes en zichzelf rangschikken in een regelmatig patroon.

"Normaal gesproken, je zou denken dat elk atoom in een specifieke druppel zou zitten, zonder enige manier om tussen hen te komen, " zegt Matthew Norcia van het team van Francesca Ferlaino. "Echter, in supervaste toestand, elk deeltje is gedelokaliseerd over alle druppeltjes, gelijktijdig aanwezig in elke druppel. Dus eigenlijk, je hebt een systeem met een reeks gebieden met een hoge dichtheid (de druppeltjes) die allemaal dezelfde gedelokaliseerde atomen delen." Deze bizarre formatie maakt effecten mogelijk zoals wrijvingsloze stroming ondanks de aanwezigheid van ruimtelijke orde (superfluïditeit).

Nieuwe afmetingen, nieuwe effecten om te ontdekken

Tot nu, supervaste toestanden in kwantumgassen zijn alleen waargenomen als een reeks druppeltjes (langs één dimensie). "In samenwerking met theoretici Luis Santos van de Leibniz Universität Hannover en Russell Bisset in Innsbruck hebben we dit fenomeen nu uitgebreid naar twee dimensies, waardoor systemen ontstaan ​​met twee of meer rijen druppels, " legt Matthew Norcia uit. Dit is niet alleen een kwantitatieve verbetering, maar verbreedt ook cruciaal de onderzoeksperspectieven. "Bijvoorbeeld, in een tweedimensionaal supersolide systeem, men kan bestuderen hoe wervelingen zich vormen in het gat tussen verschillende aangrenzende druppeltjes, "zegt hij. "Deze in theorie beschreven draaikolken zijn nog niet aangetoond, maar ze vertegenwoordigen een belangrijk gevolg van superfluïditeit, " Francesca Ferlaino kijkt al in de toekomst. Het experiment dat nu in het tijdschrift Nature wordt gerapporteerd, schept nieuwe mogelijkheden om de fundamentele fysica van deze fascinerende toestand van materie verder te onderzoeken.

Nieuw onderzoeksveld:Supersolids

50 jaar geleden voorspeld, supersoliditeit met zijn verrassende eigenschappen is uitgebreid onderzocht in supervloeibaar helium. Echter, na decennia van theoretisch en experimenteel onderzoek, een duidelijk bewijs van supersoliditeit in dit systeem ontbrak nog. Twee jaar geleden, onderzoeksgroepen in Pisa, Stuttgart en Innsbruck zijn er voor het eerst onafhankelijk van elkaar in geslaagd om uit magnetische atomen zogenaamde supervaste stoffen te creëren in ultrakoude kwantumgassen. De basis voor het nieuwe, groeiend onderzoeksveld van supervaste stoffen is de sterke polariteit van magnetische atomen, wiens interactiekenmerken het mogelijk maken om deze paradoxale kwantummechanische toestand van materie in het laboratorium te creëren.