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

Stel je een wereld voor waarin dingen perfect georganiseerd zijn, maar niet in een herhalend patroon zoals een bakstenen muur of een tegelvloer. In plaats daarvan volgen ze een complex, niet-herhalend ritme, zoals een muziekstuk dat nooit precies terugkeert naar het begin, maar nog steeds harmonieus aanvoelt. Dit is het domein van quasi-kristallen. In de natuurkunde van het zeer kleine bestuderen wetenschappers hoe atomen zichzelf ordenen. Meestal stromen atomen vrij als een vloeistof of vergrendelen ze zich in een rigide, herhalend rooster als een vaste stof (kristal). Quasi-kristallen zijn het coole, rebelse tussenkind: ze hebben een strikte lange-afstandsorde, maar ze herhalen zich nooit.

Om te begrijpen hoe deze structuren zich gedragen, kijken natuurkundigen naar "Goldstone-modi". Denk aan deze als de natuurlijke manieren waarop een systeem kan wiebelen of rimpelen zonder energie te kosten. In een normaal kristal, als je de atomen een duwtje geeft, veren ze op een specifieke manier terug (zoals een geluidsgolf). In een quasi-kristal is er een extra soort wiebel genaamd een "phason", wat een soort continu schuiven of herordenen van het patroon zelf is. Normaal gesproken, als je probeert een quasi-kristal vast te pinnen met een externe kracht, verwacht je dat al deze wiebels stoppen of "gegaped" worden (wat betekent dat ze energie nodig hebben om te gebeuren). Maar wat als je de ene soort wiebel zou kunnen stoppen terwijl je de andere vrij laat om te bewegen? Dat is de puzzel die dit artikel aanpakt, waarbij een vreemde nieuwe staat van materie wordt verkend waarin orde en chaos naast elkaar bestaan in een enkele, eendimensionale lijn.

Het Eendimensionale Quasi-Feestje

In dit onderzoek hebben de onderzoekers een digitaal experiment opgezet om te zien wat er gebeurt wanneer je een lijn van ultrakoude atomen gevangen houdt in een speciaal soort "lichtkooi" (een optische caviteit). Stel je deze atomen voor als een rij dansers op een podium. Normaal gesproken, als je licht op hen schijnt, kunnen ze allemaal dansen op hetzelfde ritme, waardoor een perfect, herhalende lijn ontstaat. Maar hier gebruikten de wetenschappers twee verschillende "ritme-generatoren".

Eén generator was een staande golf van de caviteitsspiegels, die een rigide, herhalend ritme creëerde dat de dansers moesten volgen. De andere was een scannende laserstraal, die een tweede, iets ander ritme toevoegde dat niet perfect overeenkwam met het eerste. Wanneer je twee ritmes mengt die niet op elkaar aansluiten (incommensuraat), krijg je een quasi-kristallijn patroon. De dansers ordenen zichzelf in een prachtige, niet-herhalende orde.

De grote vraag was: Wat gebeurt er met het vermogen van de dansers om te wiebelen? In een normaal quasi-kristal zijn er twee soorten wiebels: fononen (de hele lijn die heen en weer schuift) en phasonen (het patroon dat schuift of zich herordent). De onderzoekers wilden weten of ze een van deze wiebels konden "gaggen" (verstommen) terwijl ze de andere vrij lieten om te dansen.

De Grote Gapping

Het team voerde simulaties uit met een wiskundig model van deze atomen. Ze vonden een uniek scenario dat alleen in quasi-kристаllen voorkomt. Omdat de caviteitsspiegels de symmetrie voor één specifiek ritme expliciet breken, raakt de "wiebel" die bij dat ritme hoort vastgezet. Deze krijgt een energie "gap" (kloof), wat betekent dat het niet meer vrij kan bewegen. De dansers worden voor dat specifieke deel van het patroon vastgepind.

Echter, het andere ritme, dat van de scannende laser, blijft vrij. De "wiebel" die geassocieerd wordt met dit tweede ritme blijft "gapless" (gaploos). Het kan nog steeds rimpelen en fluctueren zonder extra energie te vereisen.

Dit leidt tot een bizarre en prachtige resultaat: een mix van twee verschillende soorten orde die tegelijkertijd bestaan.

1. De Gepinde Orde: Voor het deel van het patroon dat vergrendeld is aan de caviteitsspiegels, hebben de atomen een lange-afstandsorde. Ze zijn perfect uitgelijnd en stabiel, zoals een rigide kristal, omdat de "gap" voorkomt dat ze gaan wiebelen.
2. De Zwevende Orde: Voor het deel van het patroon dat door de scannende laser wordt gedreven, hebben de atomen een quasi-lange-afstandsorde. Omdat de "gapless" wiebel nog steeds actief is, fluctueren de atomen voortdurend. Ze blijven over lange afstanden gecorreleerd, maar ze zijn niet perfect rigide. Het is als een menigte die "de wave" doet—het patroon reist door het stadion, maar de individuele mensen blijven verschuiven en bewegen.

Waarom dit ertoe doet

Het artikel laat zien dat je in één dimensie een staat van materie kunt hebben die half kristal en half vloeistof is, allemaal binnen dezelfde structuur. De auteurs laten zien dat je door de interactie tussen de atomen en het licht zorgvuldig te ontwerpen (specifiek door een laserstraalprofiel te gebruiken dat een specifieke "envelope" van interactie creëert), selectief één type Goldstone-modus kunt verstommen terwijl je de andere in leven houdt.

In hun simulaties observeerden ze dat de dichtheid van de atomen een patroon vormt waarbij de pieken en dalen geassocieerd met de caviteitsgolf op hun plaats worden vergrendeld, terwijl de pieken en dalen geassocieerd met de lasergolf rimpelen en verschuiven. De "rimpelingen" in het vrije deel van het patroon zijn sterk genoeg om echte lange-afstandsorde te vernietigen, waardoor alleen de "quasi"-versie overblijft, terwijl het gepinde deel perfect geordend blijft.

Dit is niet slechts een theoretische curiositeit; de auteurs suggereren dat dit gerealiseerd kan worden in echte experimenten met ultracoude bosonische atomen in optische caviteiten. Het is een nieuwe manier om na te denken over hoe materie zichzelf organiseert, waarbij bewezen wordt dat je niet hoeft te kiezen tussen een rigide kristal en een wiebelende vloeistof. In de vreemde wereld van 1D quantum-quasi-kristallen kun je het beste van beide werelden hebben: een structuur die tegelijkertijd vergrendeld is in de tijd en danst in het moment.