(MR.Cole_Photographer/Moment/Getty Images) Physiker haben etwas Neues beobachtet Aggregatszustand bei der Arbeit in einem schwer fassbaren Faden aus Quantengas.
Die hauchdünnen Gasfäden, die Riesen fesseln können, klingen wie Gegenstände, die einer Suche in Grimms Märchen würdig sind. Aber in der Physik sind Varianten dieser Materialien theoretisch möglich – in der Praxis brechen sie jedoch bei der Formung zwangsläufig zusammen.
Forscher der Stanford University in den USA haben nun herausgefunden, dass sie ein solches Material herstellen können, das stabil genug ist, um selbst unter erheblicher Krafteinwirkung dem Zusammenbruch zu einer Wolke zu widerstehen. Darüber hinaus haben sie einen neuen Materiezustand identifiziert, der bisher nur einmal beobachtet wurde – und noch nie zuvor in Quantengas.
Wichtig ist, dass die Quanteneigenschaften dieses Gases ihm einen Platz in zukünftigen Generationen der Informationstechnologie verschaffen könnten.
Die Kategorie der am Werk befindlichen Materie hat sogar einen legendären Titel; A Super Tonks-Girardeau-Gas . Es besteht aus Atomen, die so weit abgekühlt sind, dass sie ihren Sinn für ihre individuelle Identität verlieren und gezwungen sind, eine Conga-Linie zu bilden, die von ihren kollektiven Kräften in Schach gehalten wird.
Unter idealen Bedingungen könnte die Anziehung zwischen den Teilchen in diesem langgezogenen Quantengasfaden ihn auch unter Zwang in einer Linie halten. Deshalb bezeichnen Physiker es als „super“.
Doch in nicht perfekten Laborgeräten bleiben selbst die fein abgestimmten Super-Tonks-Girardeau-Gase nicht lange stabil und ziehen sich in kürzester Zeit zu einer Kugel zusammen.
Der Physiker Benjamin Lev fragte sich, ob das Element Dysprosium ein robusterer Kandidat wäre. Mit einer der höchsten magnetischen Stärken im Periodensystem könnte es sich mit etwas Unterstützung noch etwas länger behaupten.
„Die magnetischen Wechselwirkungen, die wir hinzufügen konnten, waren im Vergleich zu den bereits im Gas vorhandenen anziehenden Wechselwirkungen sehr schwach.“ „Unsere Erwartungen waren also, dass sich nicht viel ändern würde“, sagt Lev.
„Wow, haben wir uns geirrt?“
Es stellt sich heraus, dass ein abgestimmtes Super-Tonks-Girardeau-Gas auf Basis von Dysprosium genau das ist, was der Held bestellt hat. Egal was das Team damit machte, es blieb in Form.
Selbst wenn man das Quantensystem in höhere Energiezustände versetzte, gelang es ihm nicht, die Saite in einen unordentlichen Dunst aus quantenverschmierten Teilchen zu versetzen.
Als das Team die Mechanismen des Prozesses untersuchte, bemerkte es bald die Merkmale eines eher schwer fassbaren Phänomens namens „ Quanten-Vielteilchen-Narbenbildung .
Dieser seltsame Zustand der Materie liegt irgendwo zwischen Quantenchaos und der Vorhersagbarkeit der altmodischen klassischen Physik und beschreibt eine Welt, die auf den ersten Blick kontraintuitiv erscheint.
Vor einem Vierteljahrhundert , wurde entdeckt, dass im Trubel eines Quantensystems – in dem Teilchen gleichzeitig überall und nirgends sind und einzelne Atome ihr Selbstbewusstsein verlieren – vorhersehbare Zustände entstehen können.
Diese Narben ähneln den Spuren eines Fußballplatzes. Während die Spieler den Ball frei über das ganze Spielfeld jagen, scheinen einige Richtungen anderen vorgezogen zu werden.
Das Verblüffende an Quantennarben ist, wie sie dazu passen Thermodynamik . Erhöhen Sie die Temperatur einer Gruppe von Partikeln, und diese springen einfach mehr herum und verteilen die Wärmeenergie neu, bis alle Körper ungefähr den gleichen Anteil haben.
Quanten-Vielteilchen-Narbenbildung widerspricht dieser Gleichgewichtsregel und bevorzugt bestimmte Zustände, egal wie sehr die Aufregung um sie herum zunimmt.
Das Phänomen wurde schon einmal in einer Reihe von beobachtet Rubidiumatome , aber niemals in einem Quantengas. Das Finden von Zustandszeichen in einer gekühlten Kette von Dysprosiumatomen könnte also viel darüber verraten, wie Körper in einem Quantensystem Energie teilen.
Da uns eine Zukunft voller Quantentechnologien bevorsteht, müssen wir so viel wie möglich darüber wissen, wie wir den Computern von morgen Wärme entziehen können.
Aber Quantennarben könnten möglicherweise für die eigenständige Speicherung von Quanteninformationen nützlich sein oder als solche dienen Art Simulator im Labor zur Untersuchung von Quantensystemen.
Abgesehen von Spekulationen über praktische Anwendungen sieht Lev die Arbeit als grundlegend für das Verständnis der Quantenlandschaft an. Bewerbungen können später erfolgen.
„Wenn man die Quantenwissenschaft mit dem Stand vergleicht, in dem wir entdeckten, was wir wissen mussten, um beispielsweise Chemieanlagen zu bauen, ist es, als würden wir gerade die Arbeit des späten 19. Jahrhunderts erledigen.“ sagt Lev.
Ein von Quantennarben gezeichneter Gasfaden ist nur der Anfang einer Reise zu wirklich erstaunlichen Zielen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .