Quantum motility-induced phase separation

In de bruisende wereld van de natuurkunde bestaat een klasse materialen die bekend staat als actieve materie. In tegenstelling tot een hoop zand of een kop water, die stil blijven zitten tenzij ze van buitenaf worden aangestoten, bestaat actieve materie uit piepkleine deeltjes die uit zichzelf bewegen. Deze deeltjes, die bacteriën, synthetische robots of zelfs zwermen vogels kunnen zijn, verbruiken constant energie om zichzelf vooruit te stuwen. Wanneer er genoeg van deze zelfgestuurde deeltjes samenkomen, bewegen ze niet zomaar willekeurig; ze organiseren zich. Een van de meest opmerkelijke manieren waarop ze zich organiseren, is via een fenomeen dat motiliteits-geïnduceerde fase-scheiding wordt genoemd. Stel je een drukke kamer voor waar iedereen probeert in een specifieke richting te lopen. Als de menigte te dik wordt, vertragen mensen omdat ze tegen elkaar aan botsen. Dit vertragen zorgt ervoor dat er nog meer mensen achter hen opstapelen, wat leidt tot een dichte, traag bewegende cluster, terwijl de gebieden met minder mensen snel en leeg blijven. Dit gebeurt zelfs als de deeltjes elkaar niet aantrekken; het loutere feit van bewegen en vastlopen is genoeg om het systeem te splitsen in dichte en ijlere regio's.

Lange tijd werd dit gedrag alleen begrepen in de klassieke wereld van alledaagse objecten. De wetenschap is echter onlangs begonnen met de vraag wat er gebeurt wanneer deze regels worden toegepast op de kwantumwereld, waar deeltjes in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan en verbonden zijn door onzichtbare draden van coherentie. De vraag was of de chaotische, energieverbruikende beweging van actieve materie kon samenbestaan met de delicate, gesynchroniseerde aard van de kwantummechanica. Zouden de constante geschud en de dissipatie van energie de kwantumverbindingen vernietigen, of zouden deze twee krachten samenwerken om iets geheel nieuws te creëren?

Een team van onderzoekers heeft nu overtuigend bewijs geleverd dat het antwoord "ja" is. Door een theoretisch model te bouwen van actieve deeltjes die zich volgens de kwantumwetten gedragen, hebben zij aangetoond dat een kwantumversie van dit clusteringsfenomeen inder in kan plaatsvinden. De onderzoekers maakten een simulatie van een eendimensionale lijn van deeltjes die zich gedragen als hard-core bosonen, een type kwantumdeeltje dat niet dezelfde ruimte als een ander kan innemen. Deze deeltjes hebben een interne toestand, zoals een klein pijltje dat naar links of rechts wijst, die de richting bepaalt waarin ze bewegen. Ze springen vooruit in de richting van hun pijltje, maar ze kunnen alleen landen op een lege plek. Af en toe zorgt een kwantumproces ervoor dat hun pijltje omdraait, waardoor hun richting verandert, vergelijkbaar met een hardloper die besluit om om te keren.

Het team voerde deze simulaties uit met behulp van een krachtige computationele methode die het hen mogelijk maakte om het gedrag van tot wel duizend deeltjes te volgen. Ze ontdekten dat wanneer het kwantumachtig omdraaien van de pijltjes langzaam gebeurde, de deeltjes begonnen te klonteren. Net als in de klassieke versie vertraagden de deeltjes in dichte gebieden, wat leidde tot een opeenhoping van materie. De resultaten onthulden echter een cruciaal verschil. In de eenvoudigste versie van hun model vormden de deeltjes clusters, maar deze clusters bleven eindig in omvang en groeiden nooit uit tot de hele lijn te vullen. Dit staat bekend als microfase-scheiding, waarbij het systeem zich organiseert in veel kleine, afzonderlijke groepen in plaats van één grote massa. De onderzoekers observeerden dat het aantal deeltjes in een klein gedeelte van de lijn wild fluctueerde, een kenmerk van dit clustergedrag.

Om te zien of ze de deeltjes konden dwingen om te scheiden in één enkele, massieve domein, voegden de onderzoekers een nieuwe regel toe: een afstotende kracht tussen buren. Deze kracht maakte het energetisch ongunstig voor deeltjes om naast elkaar te zitten, tenzij ze georiënteerd waren op een manier die hen aanmoedigde om zichzelf samen te vangen. Met deze toevoeging lieten de simulaties zien dat de clusters aanzienlijk groter werden naarmate de systeemgrootte toenam, wat wijst op een echte, genuïne fase-scheiding waarbij de deeltjes splitsen in een dichte regio en een ijlere regio.

Misschien wel de meest verrassende ontdekking was wat er gebeurde met de kwantumnatuur van de deeltjes tijdens deze chaotische clustering. In de klassieke fysica worden delicate kwantumverbindingen meestal vernietigd door de ruis en wrijving wanneer deeltjes tegen elkaar botsen en vertragen. De onderzoekers verwachtten dat de constante sprongen en de dissipatie van energie de kwantumcoherentie zouden wegvagen. In plaats daarvan ontdekten zij dat de geclusterde stationaire toestanden een sterke, langeafstandskwantumcoherentie behielden. De deeltjes binnen de dichte clusters bleven verbonden in een gesynchroniseerde kwantumtoestand, een kenmerk dat geen equivalent heeft in de klassieke wereld. Het proces van clusteren zelf creëerde een beschermde omgeving waarin de kwantumverbindingen konden overleven en zelfs gedijen.

De studie suggereert dat de wisselwerking tussen de energieverbruikende aandrijving van actieve materie en de delicate aard van kwantumcoherentie niet leidt tot destructie, maar tot samenwerking. De activiteit die de deeltjes aanzet tot clusteren, helpt de kwantumtoestand juist te behouden. Deze bevinding vestigt een nieuw type niet-evenwichtige kwantumtoestand, die verschilt van alles wat voorheen is gezien. Hoewel deze resultaten voortkomen uit computersimulaties, liggen de ingrediënten die gebruikt zijn om het model op te bouwen — gerichte dissipatie, coherente rotatie en strikte uitsluitingsregels — binnen het bereik van de huidige experimentele technologie met behulp van ultrakoude atomen. Dit opent de deur voor toekomstige experimenten om deze kwantumclusters in een echt laboratorium te observeren, wat potentieel een nieuw grensvlak ontsluit waar de chaotische beweging van actieve materie en de mysterieuze orde van de kwantummechanica samenkomen om de toekomst van kwantummaterialen vorm te geven.