Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

Wanneer een stof van de ene naar de andere aggregatietoestand verandert, zoals water dat bevriest tot ijs, gebeurt dit niet altijd overal tegelijkertijd op een perfecte manier. In plaats daarvan begint de verandering vaak in kleine zakken die groeien en uiteindelijk samensmelten. Als deze overgang snel verloopt, kunnen de verschillende zakken het niet eens worden over hoe ze zichzelf moeten ordenen, waardoor er permanente littekens of defecten achterblijven waar ze botsen. In de kwantumwereld, waar deeltjes zich gedragen als golven, kunnen deze defecten verschijnen als kleine draaikolken die vortexen worden genoemd. Decennialang hebben natuurkundigen vertrouwd op een reeks regels die bekend staat als het Kibble-Zurek-mechanisme om te voorspellen hoeveel van deze draaikolken zullen ontstaan. Dit kader suggereert dat de snelheid van de verandering het aantal defecten bepaalt: een snellere verandering laat meer littekens achter, terwijl een tragere verandering het systeem de kans geeft om zich vrediger te settelen. Dit idee is getest en bevestigd in veel verschillende systemen, van superfluïden tot vroege modellen van het universum, wat het een hoeksteen maakt van ons begrip van hoe orde uit chaos ontstaat.

Een nieuw onderzoek suggereert echter dat deze lang gevestigde regel een aanzienlijke blinde vlek heeft. Onderzoekers hebben ontdekt dat als de container die de kwantumvloeistof vasthoudt, draait, de spelregels volledig veranderen. Door de vorming van een Bose-Einsteincondensaat — een zeldzame staat van materie waarin atomen zich gedragen als één enkele kwantumgolf — binnen een roterende val te simuleren, ontdekte het team dat de rotatie van de container de gebruikelijke voorspellingen overrulet. In plaats van dat het aantal draaikolken afhangt van hoe snel de overgang plaatsvond, dwingt de rotatie de vloeistof om een specifiek aantal vortexen te creëren dat overeenkomt met de snelheid van de rotatie, ongeacht de koelingssnelheid. Deze bevinding daagt de universaliteit van het Kibble-Zurek-mechanisme uit en onthult dat een simpele draai aan de val kan fungeren als een meestercontrole voor het gedrag van deze kwantumsystemen.

De onderzoekers, die werkten met computersimulaties van een tweedimensionale wolk van atomen, wilden zien wat er gebeurt wanneer dit kwantumgas wordt afgekoeld om een condensaat te vormen terwijl de container al draait. In hun eerste scenario hielden ze de rotatiesnelheid constant terwijl ze de omstandigheden snel veranderden om de faseovergang te triggeren. Ze observeerden dat de draaiende beweging een sterke bias creëerde, waarbij de vorming van draaikolken die in dezelfde richting als de container draaien werd bevoordeeld, terwijl die in de tegenovergestelde richting werden onderdrukt. Als gevolg hiervan werd het totale aantal gevormde vortexen niet bepaald door de snelheid van het koelproces, zoals de standaardtheorie voorspelt. In plaats daarvan settlede het aantal zich nabij een waarde die door de rotatiesnelheid zelf wordt bepaald, een relatie die bekend staat als de Feynman-Onsager-limiet. Hoe sneller de val draaide, hoe meer vortexen verschenen, en de gebruikelijke connectie tussen koelingssnelheid en defectaantal verdween. Het systeem leek de "freeze-out"-tijd te negeren die normaal gesproken deze overgangen beheerst, gedreven in plaats door het impulsmoment van de val.

Om te testen of dit een fundamentele breuk in de theorie was of een specifiek effect van de opstelling, probeerde het team een tweede aanpak. In deze versie begonnen ze met een niet-roterende val en verhoogden ze de spin precies tegelijkertijd met het afkoelen van het gas. Deze gelijktijdige verhoging van zowel de rotatie als de koeling veranderde de uitkomst aanzienlijk. Wanneer de rotatie langzaam werd verhoogd samen met de koeling, gedroeg het systeem zich veel meer zoals de standaardtheorie voorspelt. Het aantal vortexen volgde het verwachte patroon op basis van de koelingssnelheid, en de universele schaalwetten bleven standhouden, althans bij lagere rotatiesnelheden. Deze vergelijking bewees dat de sleutelfactor niet alleen de aanwezigheid van rotatie was, maar de timing van wanneer de rotatie door het systeem werd gevoeld. Als de atomen een sterke spin ervoeren op het moment dat de overgang begon, braken de standaardregels af. Als de spin geleidelijk werd geïntroduceerd, hadden de atomen tijd om zich aan te passen, en bleven de universele wetten intact.

De studie keek ook naar wat er met deze draaikolken gebeurde nadat de overgang voltooid was. In de simulaties ordenden de vortexen zich niet in het perfecte, honingraatachtige rooster dat natuurkundigen een Abrikosov-rooster noemen, wat de ideale staat is voor een roterende superfluïde. In plaats daarvan settlede het zich in een gedesoriënteerde, glasachtige rangschikking. De randen van de container en het specifieke aantal vortexen creëerden een soort frustratie, wat hen verhinderde een perfecte orde te vinden. De onderzoekers ontdekten echter dat als ze een zachte, externe pin-kracht toevoegden — zoals een subtiel patroon van licht om de atomen op hun plaats te houden — de gedesoriënteerde draaikolken konden worden bewogen om dat perfecte, geordende rooster te vormen. Dit suggereert dat hoewel het natuurlijke proces van koeling in een draaiende val tot wanorde leidt, een beetje extra begeleiding de ideale structuur kan herstellen, zelfs bij lage rotatiesnelheden.

Deze bevindingen bieden een nieuwe manier om over de controle van kwantummaterie na te denken. De studie laat zien dat rotatie niet alleen een passieve achtergrondconditie is, maar een actief instrument dat kan worden gebruikt om de uitkomst van een faseovergang te sturen. Door de spin aan te passen, kunnen wetenschappers kiezen of ze de universele wetten van defectvorming volgen of het systeem dwingen in een specifieke staat die door het impulsmoment wordt bepaald. Dit inzicht verdiept het begrip van hoe symmetrie breekt in de kwantumwereld en biedt een praktische knop voor het manipuleren van de kritische dynamica van Bose-Einsteincondensaten. De resultaten, afgeleid van gedetailleerde computersimulaties met de stochastische Gross-Pitaevskii-vergelijking, benadrukken dat het samenspel tussen de willekeurige fluctuaties van een koelend systeem en de macroscopische eis van rotatie een complexe dans van orde en wanorde creëert, één die de oude regels niet volledig konden voorspellen.