Characterizing supersolid phase transitions in trapped quantum gases with tilted dipoles at finite temperature

In de koudste uithoeken van het laboratorium, waar atomen worden afgekoeld tot temperaturen die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt liggen, gedraagt materie zich op manieren die onze alledaagse intuïtie tarten. Onder deze extreme omstandigheden kan een gas van atomen transformeren in een superfluïde, een staat waarin de deeltjes stromen zonder enige wrijving, waarbij ze langs elkaar glijden als één enkel, perfect entiteit. Toch staat de fysica een nog vreemdere mogelijkheid toe: een substantie die tegelijkertijd een superfluïde en een vaste stof is. Deze zeldzame staat, bekend als een supersolid, bezit de vloeibaarheid van een vloeistof die eeuwig blijft stromen, terwijl het ook een rigide, kristallijne structuur behoudt waarin atomen zijn vastgelegd in een herhalend patroon. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze materialen te creëren en te begrijpen, die zich op het snijvlak bevinden van twee schijnbaar tegenstrijdige toestanden van materie. De uitdaging ligt in het beheersen van de delicate balans van krachten die deze atomen bij elkaar houden, vooral wanneer de atomen zelf als kleine magneten fungeren, die over lange afstanden aan elkaar trekken en duwen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Heidelberg heeft nu in kaart gebracht hoe deze supersolid-toestanden veranderen en evolueren, wat een gedetailleerde gids biedt voor hoe ze in het laboratorium te creëren zijn. Door een wolk dysprosiumatomen te simuleren die gevangen zitten in een magnetisch veld, onderzochten de wetenschappers hoe het materiaal verschuift tussen verschillende vormen terwijl ze de sterkte van de atomaire interacties en de hoek waaronder de magnetische velden van de atomen gekanteld zijn, aanpasten. Hun werk onthult dat de overgang tussen een gladde, uniforme vloeistof en een gestructureerde, kristallijne vaste stof geen eenvoudige schakelaar is. In plaats daarvan hangt de aard van deze verandering sterk af van de temperatuur, het aantal aanwezige atomen en de specifieke vorm van de val waarin ze gevangen zitten. Onder sommige omstandigheden vindt de verschuiving abrupt plaats, zoals water dat direct in ijs bevriest; in andere gevallen ontvouwt het zich geleidelijk, zoals een langzaam smeltproces. De onderzoekers ontdekten dat ze door de kanteling van het magnetische veld aan te passen, konden controleren of deze transitie scherp of vloeiend was, en zelfs het gedrag konden omkeren bij zeer steile hoeken.

De studie richtte zich op een specif kind van atoom, dysprosium-164, die zeer magnetisch is en ideaal voor het creëren van deze exotische toestanden. De onderzoekers gebruikten een geavanceerd computermodel om het gedrag van ongeveer tweehonderdduizend van deze atomen te simuleren, die gevangen zaten in een val die qua vorm enigszien op een surfboard leek. In deze virtuele omgeving konden zij de "contactinteractie" manipuleren, wat in essentie is hoe sterk de atomen elkaar afstoten wanneer ze tegen elkaar botsen, en de "dipooloriëntatie", wat de hoek is van de magnetische velden van de atomen ten opzichte van de val. Door de instellingen in hun simulatie langzaam te veranderen, observeerden zij hoe de wolk van atomen zichzelf herstructureerde. Zij observeerden drie hoofdfasen: een uniforme superfluïde waarbij de dichtheid overal gelijk is, een driehoekige rangschikking waarbij de atomen zich samenklonteren in een honingraatachtig rooster van druppels, en een streeptoestand waarbij de atomen zich in parallelle rijen opstellen.

Een van de meest significante bevindingen betreft de overgang van de uniforme superfluïde naar deze gestructureerde patronen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de magnetische velden recht omhoog en omlaag zijn uitgelijnd, de verandering van vloeistof naar vaste stof abrupt en discontinu is. Echter, naarmate zij de magnetische velden kantelden, begon deze scherpe sprong af te vlakken. Bij een bepaalde hoek, ongeveer zestig graden, werd de transitie continu, wat betekent dat de structuur geleidelijk ontstond zonder een plotselinge sprong in dichtheid. Dit gedrag was niet slechts een theoretische curiositeit; het team vond dat dit ook gestuurd kon worden door andere factoren te veranderen. Het verhogen van de temperatuur van het gas of het toevoegen van meer atomen aan de val maakte de transitie vloeiender en zorgde ervoor dat deze bij kleinere kantelhoeken plaatsvond. Omgekeerd stimuleerde het compacter maken van de val in de verticale richting een vloeiendere transitie. Deze resultaten suggereren dat de orde van de faseverandering niet vaststaat, maar een flexibele eigenschap is die door de experimentator kan worden ingenereerd.

De onderzoekers onderzochten ook de verschuiving tussen de driehoekige druppelrangschikking en het streeppatroon. In dit geval werd de transitie als abrupt gevonden wanneer de atomaire interacties zwak waren, maar deze werd meer continu naarmate de interacties sterker werden en het systeem de grens met de uniforme superfluïde benaderde. Interessant genoeg merkte het team op dat de aanwezigheid van de val zelf, met zijn ongelijkmatige dichtheid, een cruciale rol speelde. In een echt experiment zijn de atomen niet gelijkmatig verspreid; ze zijn dichter in het centrum en dunner aan de randen. Deze inhomogeniteit betekende dat de transitie niet over de gehele wolk tegelijkertie plaatsvond. In plaats daarvan ontstond de nieuwe structuur vaak eerst in het centrum en verspreidde zich daarna naar buiten, wat een complexe mix van fasen creëerde die afhankelijk was van de specifieke geometrie van de val.

Bij zeer grote kantelhoeken, voorbij zestig graden, veranderde het gedrag opnieuw. De transitie keerde terug naar een abrupte vorm, maar met een nieuwe complexiteit. De onderzoekers observeerden dat de verandering in afzonderlijke stadia plaatsvond, waarbij het dichtheidspatroon zich in stappen in plaats van in één enkele sprong herstructureerde. In deze scenario's met hoge hoeken vormden de atomen structuren die op strepen leken, maar interne variaties hadden, waarbij ze versmolten en splitsten op manieren die specif kind waren aan de eindige grootte van de gevangen wolk. Dit suggereert dat de omvang van het systeem er aanzienlijk toe doet; wat er gebeurt in een kleine, gevangen wolk van atomen kan verschillen van wat wordt voorspeld voor een oneindig, uniform materiaal.

De studie biedt een duidelijke routekaart voor experimentatoren die deze transities in de echte wereld willen observeren. Door precies te weten hoe de kantelhoek, temperatuur en het aantal atomen de aard van de faseverandering beïnvloeden, kunnen onderzoekers experimenten ontwerpen om ofwel een scherpe, plotselinge transformatie of een zachte, continue evolutie te getuigen. Het werk benadrukt ook het belang van eindige-omvangseffecten, en herinnert ons eraan dat het gedrag van een kleine groep atomen in een val niet altijd een perfecte spiegel is van het gedrag van een enorme, oneindige entiteit. Hoewel de simulaties die in deze studie zijn gebruikt gebaseerd zijn op goed gevestigde natuurkundige wetten, dienen ze als een gids eerder dan als een definitief bewijs, en wijzen ze de weg naar toekomstige experimenten die deze voorspellingen in werkelijke laboratoria zullen testen. Het vermogen om de orde van een faseovergang af te stemmen biedt een nieuw niveau van controle over kwantummaterie, wat de deur opent naar het verkennen van hoe deze materialen reageren op snelle veranderingen en hoe ze kunnen worden gebruikt in toekomstige technologieën die vertrouwen op de unieke eigenschappen van supersoliden.