Wij kennen in het dagelijks leven drie aggregatietoestanden: vast, vloeibaar en gasvormig. In de kwantumfysica zijn er echter stoffen die zowel vast als vloeibaar zijn. Onderzoekers spreken dan van supergeleiding of supra solids. Hun bestaan werd reeds voorspeld in de jaren vijftig. Maar pas in 2020 slaagden wetenschappers uit Italië, Duitsland en Innsbruck er onafhankelijk van elkaar in ze te detecteren in ultrakoud kwantumgas. Dat maakt de weg vrij voor toepassingen als hoogspanningskabels zonder stroomverlies of voor magnetische treinen die dan zonder wrijvingsverliezen kunnen rijden.
Ultrakoud quantumgas
De onderzoeksgroep uit Innsbruck stond onder leiding van Francesca Ferlaino van het Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck en het Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Haar team was in staat om tegelijkertijd een kristal en een supervloeibare vloeistof te vormen. Dat is een vloeistof die zonder weerstand kan stromen. Het experiment was gebaseerd op magnetische atomen en ultrakoude quantumgassen, het zogenaamde Bose Einstein condensaat. Dit wordt afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt (min 273 graden Celsius).
Polariteit magnetische atomen
In het ultrakoude quantumgas organiseren de atomen zich tot druppels door hun magnetische interactie en rangschikken zij zich in een regelmatig patroon. Matthew Norcia van Francesca Ferlaino’s team legt uit: “Normaal gesproken zou men denken dat elk atoom zich in een bepaalde druppel bevindt, zonder dat het van plaats kan veranderen. In de suprasolidaire toestand is elk deeltje echter gedelokaliseerd over alle druppels, zodat het gelijktijdig in elke druppel bestaat”.
Deze bizarre formatie maakt het effect van superfluïditeit mogelijk. Dit is wrijvingsloze stroming ondanks het bestaan van ruimtelijke orde.
Twee dimensies
Tot nu toe werden suprasolidaire toestanden in kwantumgassen alleen waargenomen als een aaneenschakeling van druppels, d.w.z. zij waren ééndimensionaal. Ferlaino’s team is er nu in geslaagd dit verschijnsel uit te breiden tot twee dimensies. Er werden systemen met twee of meer rijen druppeltjes gecreëerd. Hierdoor worden ook de onderzoeksperspectieven aanzienlijk verruimd. 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”, aldus Ferlaino.
Klik hier voor de originele publicatie in Nature.
Ook interessant: Start-up komt in 2022 met prototype van een bruikbare quantumcomputer
