Onderzoekers hebben voor het eerst een doorbraak bereikt in de kwantumfysica, waarbij ze voor het eerst een superfluïde toestand van materie hebben waargenomen die overgaat in een supersolide – en vervolgens weer terugkeert. Deze omkeerbare faseverschuiving, gedetailleerd beschreven in een Nature -studie van 28 januari, bevestigt een voorheen theoretische mogelijkheid en opent nieuwe wegen voor het begrijpen van exotische toestanden van materie.
De vreemde wereld van kwantumfasen
De meeste mensen zijn bekend met drie veel voorkomende fasen: vast, vloeibaar en gasvormig. Onder extreme omstandigheden kan materie echter in veel andere staten voorkomen. Supervloeistoffen zijn zo’n voorbeeld: ze stromen zonder enige weerstand en vormen zelfs eeuwige kwantumvortexen wanneer ze worden geroerd, en verschijnen alleen bij temperaturen net boven het absolute nulpunt.
Supervaste stoffen, waarvan wordt aangenomen dat ze voortkomen uit nog koudere supervloeistoffen, combineren een nulviscositeit met een kristallijne orde. In tegenstelling tot typische vloeistoffen rangschikken deeltjes in een supervaste stof zichzelf in een rooster terwijl ze hun vermogen behouden om te stromen en kwantumwervelingen te vormen.
Het experiment en de belangrijkste bevindingen
Eerdere pogingen om supersolids te creëren waren afhankelijk van externe manipulatie om deeltjes in een roosterstructuur te dwingen. Dit nieuwe onderzoek toont een natuurlijke faseovergang aan: de superfluïde organiseert zich onder de juiste omstandigheden spontaan in een supersolide.
Om dit te bereiken plaatste het team twee grafeenplaten op elkaar en stelde ze bloot aan een sterk magnetisch veld, waardoor een ‘excitonsoep’ ontstond. Excitonen, quasideeltjes gevormd uit elektronen-gatparen, gedroegen zich onverwachts toen het systeem afkoelde.
Van supervloeibaar naar supervast
Bij temperaturen tussen 1,5 en 4 °C boven het absolute nulpunt vormden de excitonen een supervloeistof. Verdere afkoeling veroorzaakte een verschuiving naar een elektrisch isolerende fase, die volgens de onderzoekers een echte supersolide toestand is.
Zoals Jia Li, een natuurkundige aan de Universiteit van Texas in Austin, uitlegde: “Het observeren van een isolerende fase die smelt tot een supervloeistof is ongekend. Dit suggereert sterk dat de fase bij lage temperatuur een hoogst ongebruikelijke exciton-vaste stof is.”
Waarom dit belangrijk is
Deze ontdekking is van belang omdat het fundamentele theoretische voorspellingen over het gedrag van materie bij extreme temperaturen valideert. Het vermogen om deze faseovergang op natuurlijke wijze teweeg te brengen suggereert een diepere, inherente stabiliteit in deze exotische staten.
De implicaties gaan verder dan pure natuurkunde. Het begrijpen van supersolids zou nieuwe technologieën kunnen ontsluiten: materialen zonder weerstand kunnen een revolutie teweegbrengen in de energietransmissie, terwijl de unieke eigenschappen van deze fasen kunnen leiden tot nieuwe kwantumapparaten.
Wat is het volgende?
Het team is van plan andere materialen te onderzoeken en meettechnieken te verfijnen om de supersolide toestand van exciton verder te karakteriseren. Cory Dean, een natuurkundige aan de Columbia University, verklaarde: “Voorlopig verkennen we de grenzen rond deze isolerende staat, terwijl we nieuwe instrumenten ontwikkelen om deze rechtstreeks te meten.”*
Dit onderzoek gaat niet alleen over het getuige zijn van een vreemd fenomeen; het gaat over het verleggen van de grenzen van ons begrip van materie en het effenen van de weg voor toekomstige technologische doorbraken.
Uiteindelijk bevestigt deze ontdekking dat het universum nog vreemdere verrassingen in petto heeft dan we eerder dachten, en dat de zoektocht om de fundamentele wetten ervan te begrijpen nog lang niet voorbij is.
