Coexistence of long- and quasi-long range spatial order in 1D quantum quasicrystals

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Dinge perfekt organisiert sind, aber nicht in einem sich wiederholenden Muster wie eine Ziegelwand oder ein gefliester Boden. Stattdessen folgen sie einem komplexen, nicht-periodischen Rhythmus, wie ein Musikstück, das niemals ganz zum Anfang zurückkehrt, sich aber dennoch harmonisch anfühlt. Dies ist das Reich der Quasikristalle. In der Physik des Allerkleinsten untersuchen Wissenschaftler, wie sich Atome anordnen. Normalerweise fließen Atome entweder frei wie eine Flüssigkeit oder verriegeln sich in einem starren, sich wiederholenden Gitter wie ein Festkörper. Quasikristalle sind das coole, rebellische Zwischenkind: Sie besitzen eine strikte langreichweitige Ordnung, aber sie wiederholen sich nie.

Um zu verstehen, wie diese Strukturen reagieren, untersuchen Physiker sogenannte „Goldstone-Moden“. Denken Sie an diese als die natürlichen Arten, wie ein System wackeln oder wellen kann, ohne Energie zu kosten. In einem normalen Kristall, wenn man an den Atomen zieht, schwingen sie auf eine bestimmte Weise zurück (wie eine Schallwelle). In einem Quasikristall gibt es eine zusätzliche Art des Wackelns, die „Phason“ genannt wird, was wie ein kontinuierliches Gleiten oder Umordnen des Musters selbst ist. Normalerweise erwartet man, dass alle diese Wackelbewegungen stoppen oder eine „Lücke“ (Gap) erhalten (das heißt, dass sie Energie benötigen, um stattzufinden), wenn man versucht, einen Quasikristall mit einer äußeren Kraft festzuhalten. Aber was wäre, wenn man eine Art des Wackelns stoppen könnte, während man die andere frei tanzen lässt? Das ist das Rätsel, das diese Arbeit löst, indem sie einen seltsamen neuen Materiezustand erforscht, in dem Ordnung und Chaos in einer einzigen, eindimensionalen Linie koexistieren.

Die eindimensionale Quasi-Party

In dieser Studie haben die Forscher ein digitales Experiment aufgebaut, um zu sehen, was passiert, wenn man eine Linie aus ultrakalten Atomen in einem speziellen „Lichtkäfig“ (einem optischen Resonator) einfängt. Stellen Sie sich diese Atome wie eine Reihe von Tänzern auf einer Bühne vor. Normalerweise, wenn man Licht auf sie strahlt, könnten sie alle zum selben Takt tanzen und eine perfekte, sich wiederholende Linie bilden. Aber hier verwendeten die Wissenschaftler zwei verschiedene „Taktgeneratoren“.

Ein Generator war eine stehende Welle von den Resonatorspiegeln, die einen starren, sich wiederholenden Takt erzeugte, dem die Tänzer folgen mussten. Der andere war ein scannender Laserstrahl, der einen zweiten, etwas anderen Rhythmus hinzufügte, der nicht perfekt mit dem ersten übereinstimmte. Wenn man zwei Rhythmen mischt, die nicht zusammenpassen (inkommensurabel), erhält man ein Quasikristall-Muster. Die Tänzer ordnen sich in einer wunderschönen, nicht-periodischen Ordnung an.

Die große Frage war: Was passiert mit der Fähigkeit der Tänzer zu wackeln? In einem normalen Quasikristall gibt es zwei Arten des Wackelns: Phononen (die gesamte Linie bewegt sich hin und her) und Phasonen (das Muster gleitet oder ordnet sich um). Die Forscher wollten wissen, ob sie eine dieser Wackelbewegungen „verstummen“ lassen könnten, während sie die andere frei tanzen lassen.

Das große Verengen (The Great Gapping)

Das Team führte Simulationen unter Verwendung eines mathematischen Modells dieser Atome durch. Sie fanden ein einzigartiges Szenario, das nur in Quasikristallen auftritt. Da die Resonatorspiegel die Symmetrie für einen spezifischen Rhythmus explizit brechen, bleibt das „Wackeln“, das mit diesem Rhythmus assoziiert ist, stecken. Es erhält eine Energielücke („Gap“), was bedeutet, dass es sich nicht mehr frei bewegen kann. Die Tänzer werden für diesen spezifischen Teil des Musters festgehalten.

Der andere Rhythmus, der vom scannenden Laser kommt, bleibt jedoch frei. Das „Wackeln“, das mit diesem zweiten Rhythmus assoziiert ist, bleibt „lückenlos“ (gapless). Es kann immer noch wellenartig schwingen und fluktuieren, ohne zusätzliche Energie zu benötigen.

Dies führt zu einem bizarren und schönen Ergebnis: eine Mischung aus zwei verschiedenen Arten von Ordnung, die gleichzeitig existieren.

1. Die fixierte Ordnung: Für den Teil des Musters, der an die Resonatorspiegel gekoppelt ist, besitzen die Atome eine langreichweitige Ordnung. Sie sind perfekt ausgerichtet und stabil, wie ein starrer Kristall, weil die „Lücke“ sie daran hindert, auseinanderzuwackeln.
2. Die schwebende Ordnung: Für den Teil des Musters, der vom scannenden Laser angetrieben wird, besitzen die Atome eine quasi-langreichweitige Ordnung. Da das „lückenlose“ Wackeln noch aktiv ist, fluktuieren die Atome ständig. Sie bleiben über lange Distanzen korreliert, sind aber nicht perfekt starr. Es ist wie ein Publikum, das „Die Welle“ macht – das Muster wandert durch das Stadion, aber die einzelnen Menschen bewegen sich immer noch.

Warum das wichtig ist

Die Arbeit zeigt, dass man in einer Dimension einen Materiezustand haben kann, der halb Kristall und halb Fluid ist, alles innerhalb derselben Struktur. Die Autoren demonstrieren, dass man durch die sorgfältige Gestaltung der Wechselwirkung zwischen den Atomen und dem Licht (speziell durch die Verwendung eines Laserstrahlprofils, das eine spezifische „Hüllkurve“ der Wechselwirkung erzeugt) eine Art von Goldstone-Mode selektiv verstummen lassen kann, während die andere am Leben bleibt.

In ihren Simulationen beobachteten sie, dass die Dichte der Atome ein Muster bildet, bei dem die Maxima und Minima der Resonatorwelle fest verankert sind, während die Maxima und Minima der Laserwelle wogen und sich verschieben. Die „Wellen“ im freien Teil des Musters sind stark genug, um die echte langreichweitige Ordnung zu zerstören, wodurch nur die „quasi“-Version übrig bleibt, während der fixierte Teil perfekt geordnet bleibt.

Dies ist nicht nur eine theoretische Kuriosität; die Autoren legen nahe, dass dies in echten Experimenten mit ultrakalten Bosonen in optischen Resonatoren realisiert werden könnte. Es ist eine neue Art darüber nachzudenken, wie sich Materie organisiert, und beweist, dass man sich nicht zwischen einem starren Kristall und einem wackeligen Fluid entscheiden muss. In der seltsamen Welt der eindimensionalen Quanten-Quasikristalle kann man das Beste aus beiden Welten haben: eine Struktur, die gleichzeitig in der Zeit festgeschrieben und im Moment am Tanzen ist.