Er zijn ontdekkingen die pas later van grote invloed zijn op ons dagelijks leven. Zoals de uitvinding dat je met putjes en bobbeltjes op een schijfje informatie kunt opslaan en die met een laser kunt uitlezen. De cd was geboren. Zo wisten afgelopen maand Oostenrijkse wetenschappers quantummaterie (lees IO-artikel) te maken die zowel vloeibaar als vast kan zijn. De praktische toepassing laat nog even op zich wachten. Maar het kan van grote invloed zijn op de ontwikkeling van nieuwe materialen.
Het onderzoeksteam van Innsbruck slaagde erin een kristal en een supervloeibare vloeistof tegelijk te vormen. Supervloeistoffen zijn vloeistoffen die zonder weerstand stromen. Het experiment was gebaseerd op magnetische atomen en een ultrakoud quantumgas, het zogenaamde Bose Einstein condensaat. Dit ontstaat wanneer een gas wordt afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt (min 273 graden Celsius).
Ook interessant: Relatie tussen quantumfysica en ruimtetijd ontdekt
In het dagelijks leven kunnen wij slechts drie aggregatietoestanden waarnemen: gasvormig, vloeibaar en vast. Stoffen veranderen van aggregatietoestand, bijvoorbeeld door verandering van temperatuur. Meestal zijn stoffen vast bij lage temperaturen en gasvormig bij hoge temperaturen. Maar als je een sterk verdund gas neemt en het extreem afkoelt, wordt het noch vloeibaar, noch vast, maar blijft het gasvormig.
Niettemin verliezen de deeltjes steeds meer energie. Onder een bepaalde kritische temperatuur worden de quantumeigenschappen van deze deeltjes zo dominant, dat het zogenaamde Bose-Einsteincondensaat ontstaat. In dit condensaat zijn de individuele atomen volledig gedelokaliseerd. Dit betekent dat hetzelfde atoom op elk punt in het condensaat op elk gegeven moment aanwezig is. Bose-Einsteincondensaten zijn dus ook supervloeistoffen.
Suprasolide in quantumgas
Het team van Francesca Ferlaino gebruikte het Bose-Einstein condensaat twee jaar geleden om één-dimensionale suprasolides te maken. De onderzoekers kregen magnetische atomen zo ver dat zij zich organiseerden in druppels in het ultrakoude quantumgas en zich rangschikten als kristallen. Alle deeltjes zijn echter nog steeds over alle druppels gedelokaliseerd, zodat het gas supervloeibaar blijft. De combinatie van de kristalstructuur met gelijktijdige superfluïditeit wordt suprasolid of supersolid genoemd. Nu zijn de wetenschappers erin geslaagd dit verschijnsel uit te breiden tot twee dimensies. Zij creëerden systemen met twee of meer rijen druppels.
Onderzoeksperspectieven
Deze doorbraak verruimt de onderzoeksperspectieven aanzienlijk. In een tweedimensionaal suprasolid systeem bijvoorbeeld kan worden onderzocht hoe wervelingen zich vormen in de opening tussen verschillende aangrenzende druppels. Deze in theorie beschreven wervelingen zijn nog niet aangetoond. Maar zij vormen een belangrijk gevolg van superfluïditeit.
Tot nu toe zijn wervelingen alleen waargenomen in uniforme supervloeistoffen – en in gekwantificeerde vorm. “Een gekwantificeerde vortex is in feite een gat in het systeem en rond dit gat circuleert de superfluïde met een zekere circulatie”, legt Matthew Norcia van het onderzoeksteam uit. “Maar in suprasolids zouden de wervelingen niet op deze manier gekwantificeerd mogen worden. En ze zouden gevonden moeten worden in gebieden met een lage dichtheid. Dat is tussen druppels, niet binnen een druppel waar de atomaire dichtheid hoog is.”
“Een gekwantificeerde vortex is in feite een gat in het systeem en rond dat gat circuleert de superfluïde met een zekere circulatie.”
Matthew Norcia
Wervelingen
Wanneer onderzoekers spreken over gekwantificeerde wervelingen in superfluïdete systemen, hebben zij het met name over het impulsmoment per deeltje. Dit is een uniek kenmerk van de supervloeistof dat voortvloeit uit een quantummechanische behandeling van het systeem. Norcia: “Wij nemen aan dat deze quantumvoorwaarden in suprasoliden ontspannen zijn. En dat op zodanige wijze, dat het impulsmoment per deeltje dat met een vortex is geassocieerd, verschillend kan zijn. Afhankelijk van hoe de dichtheid van de toestand wordt gemoduleerd. Dus als we kijken naar het impulsmoment van deze gekwantificeerde wervelingen, hebben we misschien een maatstaf voor hoe supervloeibaar verschillende suprasolids zijn.
Het waarnemen van de verschijnselen van suprasoliden in quantumgas belooft echter nog meer onderzoeksinzichten. Dit komt omdat sommige belangrijke eigenschappen van suprasoliden alleen in twee dimensies kunnen worden bestudeerd. Zo kunnen de rotatie-eigenschappen van een suprafluïdum drastisch verschillen van die van een normale vloeistof of een ander systeem. Ook grootheden als viscositeit, waarvoor supervloeistoffen uniek zijn, hebben alleen zin in systemen met meer dan één dimensie.
Symmetrie
Deze bevindingen helpen de onderzoekers echter ook om de gevolgen van symmetrieën te onderzoeken. Norcia: “Wanneer kristallijne structuur en superfluïditeit gelijktijdig voorkomen in suprasolids, houdt dit verband met de combinatie van translatie- en fasesymmetrieën die elk ‘gebroken’ worden in een suprasolid. Het algemene begrip van symmetrieën is van cruciaal belang voor de fysica in het algemeen en voor materiaalsystemen in het bijzonder. In die zin kan het onderzoek naar de effecten van deze symmetrieën ons helpen andere fysische systemen beter te begrijpen. Zowel in het laboratorium als voor praktische toepassingen.”
Laserlicht
Al in 2017 ondernamen verschillende onderzoeksgroepen soortgelijke experimenten met lasers en quantumgassen gemaakt van natrium- of rubidiumatomen. De atomen werden gekoppeld aan periodieke structuren die werden opgewekt met laserlicht. Dat wil zeggen, de kristallijne structuur van de atoomtoestand werd bepaald door het laserlicht. Het resultaat was dat de geproduceerde supersolide zeer stijf was. Het laserlicht ondersteunt namelijk de oscillaties van de kristallijne structuur van vaste stoffen niet. In het geval van de magnetische atomen van de Oostenrijkse wetenschappers daarentegen is het de directe magnetische interactie tussen de atomen die de dichtheidsmodulatie veroorzaakt. Hierdoor kan de suprasolid worden samengedrukt en in trilling worden gebracht. Het is ook deze interactie, in combinatie met de valpotentiaal, die de kristallijne fractie bepaalt.
Ook interessant: Oostenrijkse natuurkundigen ontwikkelen interface voor quantumcomputer
