นักฟิสิกส์ให้มิติใหม่แปลก ๆ ของสสาร
(เครดิตรูปภาพ: IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch)
นักฟิสิกส์ได้สร้าง supersolid สองมิติขึ้นเป็นครั้งแรก – แปลกประหลาด
ตอนนี้ ด้วยการใช้เลเซอร์และก๊าซที่เย็นจัด ในที่สุดนักฟิสิกส์ก็เกลี้ยกล่อมให้ supersolid กลายเป็นโครงสร้าง 2 มิติ ซึ่งเป็นความก้าวหน้าที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเจาะลึกลงไปได้ ฟิสิกส์เบื้องหลังคุณสมบัติลึกลับของเฟสเรื่องแปลกที่เกี่ยวข้อง: 12 สวยงาม การทดลองฟิสิกส์ควอนตัม
สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับนักวิจัยคือวิธีที่ซุปเปอร์โซลิด 2 มิติของพวกมันจะมีพฤติกรรมเมื่อพวกมันหมุนเป็นวงกลม ควบคู่ไปกับวังวนขนาดเล็กหรือกระแสน้ำวนที่จะปรากฏขึ้นภายในตัวพวกมัน
“เราคาดหวังว่าจะได้เรียนรู้อะไรมากมายจากการศึกษาความผันผวนของการหมุน เช่น กระแสน้ำวนที่สามารถดำรงอยู่ใน 2D แมตทิว นอร์เซีย นักฟิสิกส์จากสถาบันวิจัยควอนตัมและสารสนเทศควอนตัม (IQOQI) ของมหาวิทยาลัยอินส์บรุคในออสเตรีย บอกกับ WordsSideKick.com
เพื่อสร้าง supersolid ของพวกเขา ทีมงานได้ระงับ cloud ของ ดิสโพรเซียม-164 อะตอมภายในแหนบแสง ก่อนที่อะตอมจะเย็นลงจนเหลือศูนย์ เคลวิน (ลบ 459.67 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ ลบ 273.15 องศาเซลเซียส) โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าเลเซอร์คูลลิ่ง
การยิงเลเซอร์ที่ก๊าซมักจะทำให้ร้อนขึ้น แต่ถ้าโฟตอน (อนุภาคแสง) ในลำแสงเลเซอร์มี เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับอนุภาคของก๊าซที่เคลื่อนที่ ซึ่งจริง ๆ แล้วสามารถทำให้อนุภาคก๊าซเย็นลงได้ หลังจากการทำให้อะตอมดิสโพรเซียมเย็นลงเท่าที่จะทำได้ด้วยเลเซอร์ นักวิจัยได้คลาย “ที่จับ” ของแหนบออปติคัลของพวกมัน ทำให้เกิดพื้นที่เพียงพอสำหรับอะตอมที่มีพลังมากที่สุดที่จะหลบหนี
เนื่องจากอนุภาคที่ “อุ่นกว่า” กระตุกเร็วกว่าอนุภาคที่เย็นกว่า เทคนิคนี้เรียกว่าการทำความเย็นแบบระเหย ทำให้นักวิจัยเหลือเพียง อะตอมที่เย็นมาก และอะตอมเหล่านี้ได้เปลี่ยนเป็นเฟสใหม่ของสสาร — บอส -ไอน์สไตน์คอนเดนเสท: คอลเลกชั่นของอะตอมที่ถูกทำให้เย็นลงจนสุดภายในเส้นขน ศูนย์สัมบูรณ์.
เมื่อก๊าซเย็นตัวจนถึงอุณหภูมิใกล้ศูนย์ อะตอมทั้งหมดจะสูญเสียพลังงานและเข้าสู่สถานะพลังงานเดียวกัน เนื่องจากเราสามารถแยกความแตกต่างระหว่างอะตอมที่เหมือนกันในเมฆก๊าซโดยดูจากระดับพลังงานของพวกมัน การทำให้เท่าเทียมกันนี้มีผลอย่างลึกซึ้ง: เมฆที่สั่นสะเทือน กระตุก และชนกันที่ก่อตัวเป็นก๊าซที่อุ่นขึ้น จากนั้นกลายเป็นจาก มุมมองทางกลควอนตัม เหมือนกันทุกประการ
นี่เป็นการเปิดประตูสู่สิ่งแปลก ๆ อย่างแท้จริง เอฟเฟกต์ควอนตัม . กฎหลักประการหนึ่งของพฤติกรรมควอนตัม หลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก บอกว่าคุณไม่สามารถรู้ตำแหน่งของอนุภาคและโมเมนตัมได้อย่างแม่นยำ ทว่าตอนนี้อะตอมของคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ไม่เคลื่อนที่อีกต่อไปแล้ว โมเมนตัมของพวกมันทั้งหมดก็เป็นที่รู้จัก สิ่งนี้นำไปสู่ตำแหน่งของอะตอมที่ไม่แน่นอนมากจนสถานที่ที่พวกมันสามารถครอบครองได้นั้นมีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่ระหว่างอะตอมเอง
แทนที่จะเป็นอะตอมที่ไม่ต่อเนื่อง อะตอมที่ทับซ้อนกันในลูกบอลคอนเดนเสท Bose-Einstein ที่คลุมเครือทำหน้าที่ราวกับว่าเป็นเพียง หนึ่งอนุภาคยักษ์ สิ่งนี้ทำให้ Bose-Einstein บางตัวควบแน่นคุณสมบัติของ superfluidity ทำให้อนุภาคของพวกมันไหลได้โดยไม่มีแรงเสียดทาน ที่จริงแล้ว ถ้าคุณจะกวนแก้วคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ที่เป็นซุปเปอร์ฟลูอิด มันจะไม่มีวันหยุดหมุน
นักวิจัยใช้ dysprosium-164 (ไอโซโทปของ dysprosium) เพราะมัน (ควบคู่ไปกับเพื่อนบ้านในตารางธาตุ Holmium) เป็นแม่เหล็กมากที่สุดในบรรดาธาตุที่ค้นพบ ซึ่งหมายความว่าเมื่ออะตอมของดิสโพรเซียม-164 ถูกทำให้เย็นลงเป็นพิเศษ นอกจากจะกลายเป็นซุปเปอร์ฟลูอิดแล้ว พวกมันยังจับกลุ่มกันเป็นหยดเล็กๆ ซึ่งเกาะติดกันเหมือนแท่งแม่เหล็กเล็กๆ
โดย “ปรับความสมดุลระหว่างการโต้ตอบแม่เหล็กระยะยาวและปฏิสัมพันธ์การติดต่อระยะสั้นระหว่างอะตอมอย่างระมัดระวัง” นอร์เซียกล่าว ทีมงานสามารถสร้างหลอดหยดหนึ่งมิติที่มีความยาวซึ่งมีอะตอมที่ไหลอย่างอิสระ – 1D supersolid นั่นคืองานก่อนหน้าของพวกเขา
เพื่อก้าวกระโดดจาก 1D เป็น 2D supersolid ทีมใช้กับดักที่ใหญ่กว่า และลดความเข้มของลำแสงแหนบแสงในสองทิศทาง ควบคู่ไปกับการรักษาอะตอมให้เพียงพอในกับดักเพื่อรักษาความหนาแน่นให้สูงพอ ในที่สุดก็ทำให้พวกเขาสร้างโครงสร้างซิกแซกของหยดเล็กๆ ได้ คล้ายกับหลอด 1D ออฟเซ็ตสองหลอดที่อยู่ติดกัน ซึ่งเป็นซุปเปอร์โซลิด 2 มิติ
ด้วยงานของการสร้างสรรค์ที่อยู่เบื้องหลังพวกเขา ตอนนี้นักฟิสิกส์ต้องการใช้ 2D supersolid ของพวกเขาเพื่อศึกษาคุณสมบัติทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการมีสิ่งนี้ มิติพิเศษ ตัวอย่างเช่น พวกเขาวางแผนที่จะศึกษากระแสน้ำวนที่โผล่ออกมาและติดอยู่ระหว่างละอองของอาเรย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อกระแสวนของอะตอมที่หมุนวนเหล่านี้ อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎี สามารถหมุนวนได้ตลอดไป
สิ่งนี้ยังนำนักวิจัยเข้าใกล้อีกขั้นหนึ่งกับกลุ่ม 3D supersolids ที่คาดการณ์โดยข้อเสนอแรก ๆ เช่น Gross ‘และคุณสมบัติของมนุษย์ต่างดาวที่มากยิ่งขึ้นที่พวกเขาอาจมี
นักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยของพวกเขาเมื่อวันที่ 18 สิงหาคมในวารสาร ธรรมชาติ.
เผยแพร่ครั้งแรกใน Live Science
เบ็น เทิร์นเนอร์ เป็นนักเขียนประจำสหราชอาณาจักรที่ Live Science . เขาครอบคลุมวิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ รวมถึงหัวข้ออื่นๆ เช่น สัตว์ประหลาดและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เขาสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนด้วยปริญญาฟิสิกส์อนุภาคก่อนการฝึกอบรมเป็นนักข่าว เมื่อเขาไม่ได้เขียน เบ็นชอบอ่านวรรณกรรม เล่นกีตาร์ และอายตัวเองด้วยหมากรุก
