I fisici hanno creato il primo materiale super solido bidimensionale: esotico fase di comando Si comporta come un liquido solido e senza attrito allo stesso tempo.
I supersolidi sono materiali che atomi Sono disposti in una struttura cristallina ripetitiva regolare, ma sono anche in grado di fluire all’infinito senza perdere energia cinetica. Nonostante le sue proprietà peculiari, che sembrano violare molte ben note leggi della fisica, i fisici lo hanno anticipato a lungo in teoria – è apparso per la prima volta come suggerimento nel lavoro del fisico Eugene Gross già nel 1957.
Ora, utilizzando laser e gas ultrafreddi, i fisici sono finalmente riusciti a trasformare un super-solido in una struttura bidimensionale, un progresso che potrebbe consentire agli scienziati di decifrare la fisica più profonda dietro le misteriose proprietà della fase della materia esotica.
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Di particolare interesse per i ricercatori è come si comporteranno i loro supersolidi bidimensionali quando vengono fatti rotolare in un cerchio, insieme ai minuscoli vortici, o vortici, che appariranno al loro interno.
«Ci aspettiamo che ci sarà molto da imparare dallo studio delle oscillazioni rotazionali, ad esempio, così come dei vortici che possono esistere all’interno di un sistema 2D molto più facilmente di quanto non facciano in 1D», ha affermato l’autore principale Matthew Norcia, un fisico dell’Università of Quantum Institute. Innsbruck Optics and Quantum Information (IQOQI) in Austria, a Live Science in una e-mail.
Per creare un super solido, il team ha sospeso una nuvola di disprosio-164 atomi all’interno di pinzette ottiche prima di raffreddare gli atomi appena sopra lo zero Kelvin (meno 459,67 gradi Fahrenheit o meno 273,15 gradi Celsius) utilizzando una tecnologia chiamata raffreddamento laser.
Normalmente sparare un laser al gas lo scalderà, ma se i fotoni (particelle di luce) nel raggio laser si muovono nella direzione opposta alle particelle di gas in movimento, possono effettivamente causare il rallentamento e il raffreddamento delle particelle di gas. Dopo aver raffreddato il più possibile gli atomi di disprosio con un laser, i ricercatori hanno allentato la «presa» delle loro pinzette ottiche, creando spazio sufficiente per la fuga degli atomi più energetici.
Poiché le particelle «più calde» vibrano più velocemente di quelle più fredde, questa tecnica, chiamata raffreddamento evaporativo, lascia i ricercatori solo con i loro atomi superraffreddati; Questi atomi si sono trasformati in una nuova fase della materia – A Condensatore Bose-Einstein: Un gruppo di atomi superraffreddati nell’intervallo di un capello zero Assoluto.
Quando un gas viene raffreddato ad una temperatura prossima allo zero, tutti i suoi atomi perdono la loro energia, entrando negli stessi stati energetici. Poiché possiamo distinguere tra atomi simili in una nuvola di gas solo osservando i loro livelli di energia, questa equazione ha un effetto profondo: la nube un tempo disparata di atomi che vibrano, saltano e si scontrano che formano il gas più caldo diventa, da una meccanica quantistica punto di vista, completamente identico.
Questo apre la porta ad alcune cose davvero strane effetti quantitativi. Una delle regole di base del comportamento quantistico, il principio di indeterminazione di Heisenberg, afferma che non è possibile conoscere la posizione e la quantità di moto di una particella con assoluta precisione. Tuttavia, dopo che gli atomi di Bose-Einstein condensati hanno smesso di muoversi, tutto il loro slancio è diventato noto. Ciò fa sì che le posizioni degli atomi diventino così incerte che i luoghi che probabilmente occuperanno crescono in un’area più grande degli spazi tra gli atomi stessi.
Invece di atomi separati, gli atomi che intervengono nella misteriosa sfera di Bose-Einstein agiscono come se fossero solo una particella gigante. Ciò conferisce ad alcuni condensatori Bose-Einstein la proprietà della superfluidità, consentendo alle loro molecole di fluire senza alcun attrito. Infatti, se dovessi spostare un bicchiere di liquido superfluido Bose-Einstein, non smetterebbe di girare.
I ricercatori hanno utilizzato il disprosio-164 (un isotopo del disprosio) perché (accanto al suo vicino nella tavola periodica olmio) è il più magnetico di tutti gli elementi scoperti. Ciò significa che quando gli atomi di disprosio-164 vengono superraffreddati, oltre a diventare superfluidi, si aggregano anche in goccioline, attaccandosi come minuscole barre magnetiche.
«Regolando l’equilibrio tra le interazioni magnetiche a lungo raggio e le interazioni di contatto a corto raggio tra gli atomi», ha detto Norcia, il team è stato in grado di creare un lungo tubo unidimensionale di goccioline che contengono anche atomi a flusso libero – un unidimensionalità super-solida. . Questo era il loro lavoro precedente.
Per fare il salto dal supersolido 1D al 2D, il team ha utilizzato una trappola più grande e ha abbassato l’intensità dei raggi delle pinzette ottiche in due direzioni. Questo, combinato con il mantenimento di un numero sufficiente di atomi nella trappola per mantenere una densità sufficientemente elevata, ha finalmente permesso loro di creare una struttura a zigzag di goccioline, simile a due tubi opposti 1D seduti uno accanto all’altro, in un 2D super rigido.
Con il compito di crearlo alle spalle, i fisici ora vogliono utilizzare un super-solido bidimensionale per studiare tutte le proprietà che derivano dalla presenza di questa dimensione extra. Ad esempio, hanno in programma di studiare i vortici che appaiono e rimangono intrappolati tra le goccioline dell’array, soprattutto perché questi vortici vorticosi di atomi, almeno in teoria, possono ruotare all’infinito.
Questo porta anche i ricercatori un passo avanti verso i solidi superdimensionati e tridimensionali previsti dalle prime proposte come Gross, e persino alle strane proprietà che potrebbero avere.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 18 agosto sulla rivista natura.
Pubblicato originariamente su Live Science.
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