Physiker haben den allerersten zweidimensionalen Superfestkörper erschaffen – ein seltsames Phase der Materie die sich sowohl wie eine feste als auch eine reibungsfreie Flüssigkeit verhält.
Supersolids sind Materialien, deren Atome sind in einer regelmäßigen und sich wiederholenden Kristallstruktur angeordnet, können aber auch unbegrenzt fließen, ohne jemals kinetische Energie zu verlieren. Trotz ihrer seltsamen Eigenschaften, die viele bekannte Gesetze der Physik zu verletzen scheinen, haben Physiker sie schon seit langem theoretisch vorhergesagt – sie tauchten bereits 1957 erstmals als Vorschlag im Werk des Physikers Eugene Gross auf.
Jetzt haben Physiker mithilfe von Lasern und supergekühlten Gasen endlich einen Superfeststoff in eine 2D-Struktur gebracht, ein Durchbruch, der es Wissenschaftlern ermöglichen könnte, die tiefere Physik hinter den mysteriösen Eigenschaften der unheimlichen Phase der Materie aufzudecken.
Verwandt: 12 fantastische Quantenphysik-Experimente
Die Forscher interessieren sich besonders dafür, wie sich ihre 2D-Supersolids verhalten, wenn sie sich neben den winzigen Strudeln oder Wirbeln, die in ihnen erscheinen, im Kreis drehen.
„Wir erwarten, dass wir viel lernen werden, wenn wir zum Beispiel Rotationsschwingungen untersuchen, sowie Wirbel, die in einem 2D-System viel leichter existieren können als in 1D“, sagte der Autor. Schulleiter Matthew Norcia, Physiker am Quantum Institut, Universität Innsbruck. Optik und Quanteninformation (IQOQI) in Österreich, teilte Live Science in einer E-Mail mit.
Um ihren Supersolid zu erstellen, hängte das Team eine Wolke aus Dysprosium-164 Atome in der optischen Pinzette, bevor die Atome auf knapp über Null abgekühlt werden Kelvin (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius) mit einer Technik namens Laserkühlung.
Wenn ein Laser auf ein Gas geschossen wird, wird es normalerweise erhitzt, aber wenn sich die Photonen (Lichtteilchen) im Laserstrahl in die entgegengesetzte Richtung zu den sich bewegenden Gasteilchen bewegen, können sie die Gasteilchen tatsächlich verlangsamen und abkühlen. Nachdem die Dysprosium-Atome mit dem Laser maximal abgekühlt waren, lockerten die Forscher den „Griff“ ihrer optischen Pinzette und schafften gerade genug Platz für die energiereicheren Atome, um zu entkommen.
Da sich „heißere“ Teilchen schneller bewegen als kühlere, ließ diese Technik, die als Verdunstungskühlung bezeichnet wird, den Forschern nur ihre unterkühlten Atome zurück; und diese Atome hatten sich in eine neue Phase der Materie verwandelt – a Bose-Einstein-Kondensat: eine Ansammlung von Atomen, die haarscharf unterkühlt wurden Absoluter Nullpunkt.
Wenn ein Gas auf eine Temperatur nahe Null abgekühlt wird, verlieren alle seine Atome ihre Energie und treten in die gleichen Energiezustände ein. Da wir die ansonsten identischen Atome in einer Gaswolke nur anhand ihrer Energieniveaus unterscheiden können, hat dieser Ausgleich eine tiefgreifende Wirkung: quantenmechanischer Sicht, vollkommen identisch.
Es öffnet die Tür zu einigen wirklich seltsamen Dingen Quanteneffekte. Eine wichtige Regel des Quantenverhaltens, das Heisenbergsche Unschärfeprinzip, besagt, dass man nicht sowohl den Ort als auch den Impuls eines Teilchens mit absoluter Genauigkeit kennen kann. Doch jetzt, da sich die Bose-Einstein-Kondensatatome nicht mehr bewegen, ist ihr voller Impuls bekannt. Dies führt dazu, dass die Positionen der Atome so unsicher werden, dass die Plätze, die sie möglicherweise einnehmen könnten, größer werden als die Abstände zwischen den Atomen selbst.
Anstelle von diskreten Atomen wirken die überlappenden Atome in der Fuzzy-Kondensatkugel von Bose-Einstein, als wären sie nur ein einziges Riesenteilchen. Dies verleiht einigen Bose-Einstein-Kondensaten die Eigenschaft der Suprafluidität – ihre Partikel können ohne Reibung fließen. Wenn man eine Tasse superflüssiges Bose-Einstein-Kondensat umrühren würde, würde es nie aufhören zu wirbeln.
Die Forscher verwendeten Dysprosium-164 (ein Isotop von Dysprosium), weil es (zusammen mit seinem Nachbarn im Periodensystem Holmium) das magnetischste aller entdeckten Elemente ist. Dies bedeutet, dass die Dysprosium-164-Atome beim Unterkühlen nicht nur zu einer Supraflüssigkeit wurden, sondern auch zu Tröpfchen zusammenklumpten, die wie kleine Magnetstäbe aneinander haften.
Durch „sorgfältige Anpassung des Gleichgewichts zwischen magnetischen Wechselwirkungen mit großer Reichweite und Kontaktwechselwirkungen mit kurzer Reichweite zwischen Atomen“, sagte Norcia, konnte das Team eine lange, eindimensionale Tröpfchenröhre erzeugen, die auch frei fließende Atome enthielt 1D Supersolid. Es war ihr vorheriger Job.
Um von einem 1D-Supersolid zu einem 2D-Supersolid zu wechseln, verwendete das Team eine größere Falle und verringerte die Intensität der optischen Strahlen der Pinzette in zwei Richtungen. Dies, zusätzlich dazu, dass genug Atome in der Falle gehalten wurden, um eine ausreichend hohe Dichte aufrechtzuerhalten, ermöglichte es ihnen letztendlich, eine Zickzackstruktur von Tröpfchen zu erzeugen, ähnlich wie zwei gestaffelte 1D-Röhren, die nebeneinander sitzen, ein 2D-Superfeststoff.
Mit der Aufgabe seiner Entstehung im Rücken wollen Physiker nun mit ihrem 2D-Supersolid alle Eigenschaften studieren, die sich aus dieser Extra-Dimension ergeben. Sie planen zum Beispiel, die Wirbel zu untersuchen, die zwischen Tröpfchen im Gitter auftauchen und gefangen werden, zumal sich diese wirbelnden Atomwirbel, zumindest theoretisch, endlos drehen können.
Es bringt die Forscher auch näher an die losen 3D-Supersolids, die von frühen Vorschlägen wie Gross vorgestellt wurden, und an noch mehr außerirdische Eigenschaften, die sie möglicherweise haben.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 18. August in der Zeitschrift Natur.
Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
Freiberuflicher Alkoholiker. Begeisterter Webfanatiker. Subtil charmanter Zombie-Junkie. Ergebener Leser.
You may also like
-
Österreichische Gletscher ziehen sich „mehr denn je“ zurück: Messung
-
Von der NASA ins All geschickte Samen, Forstdienst kehrt zur Erde zurück und erschafft eine neue Generation von „Mondbäumen“
-
Wie die Vereinigten Arabischen Emirate ein Raumschiff zum Mars schickten – beim ersten Versuch
-
Die seltensten Wolken der Welt erscheinen über der Bucht von San Francisco
-
2023: Massive Menschenmassen in Abuja, als APC-Frauen und -Jugendliche eine Kundgebung für die Präsidentschaft von Tinubu/Shettima abhalten