Competing triangular and stripe supersolid orders in a dipolar quantum gas

In de koudste uithoeken van het universum, waar atomen vertragen genoeg om als één enkele, verenigde entiteit te fungeren, onthult de natuur toestanden van materie die onze alledaagse intuïtie tarten. Onder de meest fascinerende hiervan zijn supersoliden, een paradoxale fase waarin een substantie zich gedraagt als een solide kristal met een rigide, herhalend patroon, maar tegelijkertijd stroomt als een superfluïde met nul wrijving. Decennialang hebben natuurkundigen geprobeerd deze exotische materialen te creëren en te begrijpen, die de orde van een rooster combineren met de vloeibaarheid van een rivier. Hoewel wetenschappers erin zijn geslaagd supersoliden te maken in eendimensionale lijnen, beloofde de tweedimensionale wereld een nog rijker landschap aan mogelijkheden, waarin verschillende kristalvormen met elkaar konden concurreren en in elkaar konden transformeren. Het begrijpen van hoe deze structuren ontstaan en interageren is niet louter een kwestie van nieuwsgierigheid; het biedt een zuiver laboratorium om te bestuderen hoe verschillende soorten orde ontstaan en botsen in complexe systemen, een fenomeen dat ten grondslag ligt aan veel van het gedrag dat men ziet in alles van magneten tot actief biologisch materiaal.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Heidelberg is nu deze complexe tweedimensionale wereld binnengestapt, door succesvol twee concurrerende vormen van supersolide orde te creëren en te onderscheiden in een gas van sterk magnetische atomen. Door de sterkte van de interacties tussen de atomen en de hoek waaronder hun magnetische dipolen wijzen zorgvuldig te manipuleren, leidden de wetenschappers het gas door een transitie van een uniforme vloeistof naar een toestand waarin de atomen zichzelf in duidelijke patronen ordenen. Ze observeerden dat het gas spontaan organiseerde in twee verschillende vormen: een driehoekig rooster van druppels en parallelle strepen. Cruciaal was dat ze ontdekten dat deze structuren in twee verschillende toestanden van beweging konden bestaan. Onder sommige omstandigheden behielden de atomen een perfect, gesynchroniseerd ritme over de gehele wolk, waarbij ze zonder weerstand stroomden terwijl ze hun vorm behielden. Onder andere omstandingen vergrendelden de atomen op hun plaats, verloren ze hun vermogen om te stromen en werden ze een rigide, isolerende kristal.

Het experiment begon met een wolk van ongeveer 140.000 dysprosiumatomen, afgekoeld tot een temperatuur van slechts 62 nanokelvin, een toestand die zo koud is dat de atomen zich als een enkele kwantumgolf gedragen. Deze atomen waren gevangen in een ondiepe, surfboard-achtige container gecreëerd door laserstralen. Om de atomen te controleren, pasten de onderzoekers een magnetisch veld toe dat ze konden kantelen en versterken. De sterkte van het veld bepaalde hoe sterk de atomen elkaar afstootten, terwijl de kantelhoek de richting van hun magnetische oriëntatie veranderde. Door deze twee knoppen gedurende een periode van 100 milliseconden langzaam aan te passen en het systeem vervolgens 30 milliseconden stabiel te houden, lieten het team het gas bezinken in zijn nieuwe, zelfgeorganiseerde vormen. Vervolgens maakten ze snapshots van de gasdichtheid, wat een landschap onthulde dat drastisch verschoof afhankelijk van de instellingen.

Toen de magnetische dipolen recht omhoog waren uitgelijnd, vormde het gas een driehoekige array van druppels, die leek op een honingraat van kleine eilanden. Terwijl de onderzoekers het magnetische veld kantelden, begon het patroon zich uit te rekken en te vervormen. Bij intermediaire hoeken trad het systeem een chaotische, kritische regio binnen waar de atomen niet konden beslissen of ze driehoeken of strepen moesten vormen. In deze zone fluctueerden de patronen wild van de ene experiment naar het andere, wat tekenen liet zien van intense competitie tussen de twee structurele orden. Wanneer de kanteling verder werd vergroot, stortten de driehoekige eilanden in tot lange, parallelle strepen die dwars door de val vervielen. Deze transitie was niet louter een visuele verandering; de onderzoekers ontwikkelden een statistische methode om de "orde" van de patronen te meten, waarmee ze bevestigden dat het gas inder eigenlijk wisselde tussen twee verschillende structurele fasen.

Misschien wel de meest significante ontdekking was hoe deze structuren zich gedroegen wat betreft stroming. Door de val vrij te laten en het gas te laten expanderen, konden de onderzoekers zien of de atomen in unison bewogen. In de driehoekige en streepfasen nabij het begin van de transitie, interfereerden de atomen met elkaar om duidelijke, reproduceerbare patronen te creëren, wat bewees dat de gehele wolk bewoog als een enkele, coherente vloeistof—een echte supersolide. Echter, naarmate de dichtheidsmodulatie sterker werd en de atomen dichter op elkaar gepakt zaten, verdween deze globale coherentie. De interferentiepatronen werden rommelig en onvoorspelbaar, wat erop wees dat de atomen hun collectieve ritme hadden verloren en vastzaten, waardoor ze een isolerende kristal vormden. Dit stelde het team in staat om een compleet fasediagram in kaart te brengen waar hetzelfde materiaal een stromende supersolide of een rigide isolator kon zijn, afhankelijk van hoe dicht het was gepakt en hoe het magnetische veld gekanteld was.

De bevindingen bieden een veelzijdig platform voor het verkennen van hoe verschillende soorten symmetriebreking met elkaar verweven zijn. De onderzoekers toonden aan dat ze door simpelweg een magnetisch veld te kantelen, door een rijk landschap van toestanden konden navigeren, bewegend van een uniforme vloeistof naar een driehoekige supersolide, vervolgens naar een streep-supersolide, en uiteindelijk naar een isolerend kristal. De transitie tussen de driehoekige en de streepvormen werd gemarkeerd door verhoogde fluctuaties, een signatuur dat het systeem worstelde om te kiezen tussen twee concurrerende orden. Hoewel de exacte aard van het kritieke punt tussen deze fasen een onderwerp blijft voor verdere studie, heeft het experiment stevig vastgesteld dat deze concurrerende orden bestaan en gecontroleerd kunnen worden. Dit werk opent de deur naar het onderzoeken van hoe superfluïde eigenschappen interageren met kristallijne structuren in twee dimensies, wat nieuwe inzichten biedt in de fundamentele wetten die complexe kwantumvloeistoffen beheersen.