Gazy kwantowe bardzo dobrze nadają się do badania mikroskopijnych konsekwencji oddziaływań w materii. Dziś naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować poszczególne cząstki w ekstremalnie schłodzonych obłokach gazu w laboratorium, ujawniając zjawiska, których nie można zaobserwować w codziennym świecie. Na przykład poszczególne atomy w kondensacie Bosego-Einsteina są całkowicie zdelokalizowane. Oznacza to, że w każdym punkcie kondensatu w danym momencie istnieje ten sam atom.

Dwa lata temu grupie badawczej, którą kierowała Francesca Ferlaino z Wydziału Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu w Innsbrucku oraz Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej przy Austriackiej Akademii Nauk w Innsbrucku, udało się po raz pierwszy wygenerować stany superstałe w ultrazimnym gazy kwantowe atomów magnetycznych. Oddziaływanie magnetyczne powoduje, że atomy samoorganizują się w kropelki i układają się w regularny wzór.

– Normalnie można by pomyśleć, że każdy atom można znaleźć w określonej kropli, bez możliwości przedostania się między nimi – mówi Matthew Norcia, członek zespołu. – Jednak w stanie superstałym każda cząsteczka jest zdelokalizowana we wszystkich kropelkach, istniejąc jednocześnie w każdej kropelce. Zasadniczo masz system z serią regionów o dużej gęstości (kropelki), które mają te same zdelokalizowane atomy. Ta dziwaczna formacja umożliwia takie efekty, jak przepływ beztarciowy pomimo obecności ładu przestrzennego (nadciekłość). Do tej pory stany superstałe w gazach kwantowych były obserwowane tylko jako ciąg kropel (wzdłuż jednego wymiaru).

– We współpracy z teoretykami Luisem Santosem z Leibniz Universität Hannover i Russellem Bissetem w Innsbrucku rozszerzyliśmy to zjawisko do dwóch wymiarów, dając początek układom z dwoma lub więcej rzędami kropel – wyjaśnia Matthew Norcia. – Jest to nie tylko poprawa ilościowa, ale przede wszystkim poszerzanie perspektyw badawczych. przykład w dwuwymiarowym układzie superstałym można badać, jak w otworze między kilkoma sąsiednimi kroplami tworzą się wiry. Te wiry opisane teoretycznie nie zostały jeszcze zademonstrowane, ale stanowią ważną konsekwencję nadciekłości. Francesca Ferlaino już patrzy w przyszłość. Eksperyment ogłoszony w czasopiśmie Nature stwarza nowe możliwości dalszego badania fundamentalnej fizyki tego ciekawego stanu materii.

Przewidywane 50 lat temu supersolidność z jej zaskakującymi właściwościami była intensywnie badana w nadciekłym helu. Jednak po dziesięcioleciach badań teoretycznych i eksperymentalnych wciąż brakowało wyraźnego dowodu supersolidności tego systemu. Dwa lata temu grupom badawczym w Pizie, Stuttgarcie i Innsbrucku po raz pierwszy udało się niezależnie stworzyć tzw. superstałe z atomów magnetycznych w ultrazimnych gazach kwantowych. Podstawą nowego, rozwijającego się pola badań nad ciałami stałymi jest silna polaryzacja atomów magnetycznych, których charakterystyka oddziaływania umożliwia wytworzenie tego paradoksalnego kwantowo-mechanicznego stanu materii w laboratorium. Badania były wspierane finansowo m.in.: przez Austriacki Fundusz Naukowy FWF, Federalne Ministerstwo Edukacji, Nauki i Badań oraz Unię Europejską.

Źródło: University of Innsbruck