En rörlig barriär kan få separerade droppar av ultrakalla atomer att kopplas samman och börja svänga synkroniserat. Det visar en ny teoretisk studie där forskare simulerade hur en så kallad supersolid kan bildas utan att atomernas inbördes växelverkan behöver ändras.
Resultatet handlar inte om vanliga kristaller som går att hålla i handen. Forskarna studerade i stället mikroskopiska täthetsstrukturer i en gas av ultrakalla dysprosiumatomer. I simuleringen behöll dessa strukturer sin kristalliknande ordning samtidigt som ett sammanhängande superfluidt skikt växte fram mellan dem.
Kombinationen av kristallstruktur och superfluiditet är det som kännetecknar en supersolid – ett ovanligt kvanttillstånd som på samma gång uppvisar ordning och friktionsfritt flöde.
Studien är än så länge en förhandsversion på arXiv och bygger på numeriska beräkningar, inte på ett genomfört laboratorieexperiment. Metoden är däremot utformad för att kunna testas med teknik som redan används i experiment med ultrakalla atomer.
Vad är en supersolid?
En vanlig kristall har en regelbunden struktur där atomer eller molekyler ordnar sig i ett återkommande mönster. En superfluid kan i stället röra sig utan den friktion som normalt bromsar en vätska.
En supersolid kombinerar egenskaper från båda tillstånden:
| Materietillstånd | Regelbunden täthetsstruktur | Sammanhängande friktionsfritt flöde |
|---|---|---|
| Vanlig kristall | Ja | Nej |
| Superfluid | Nej | Ja |
| Supersolid | Ja | Ja |
I experiment med magnetiska atomer kan en supersolid framträda som en rad täta atomdroppar. Dropparna bildar ett regelbundet mönster, men är samtidigt sammanlänkade genom en gemensam kvantmekanisk vågfunktion.
Det räcker därför inte att enbart se flera droppar bredvid varandra. För att tillståndet ska räknas som supersolid måste det också finnas faskoherens mellan dem. Förenklat innebär det att dropparnas kvanttillstånd håller samma rytm och kan beskrivas som delar av ett sammanhängande system.
Simulerade 80 000 dysprosiumatomer
Forskarna E. L. Brakensiek, G. A. Bougas och S. I. Mistakidis vid Missouri University of Science and Technology använde en tredimensionell datormodell av en ultrakall gas.
Systemet bestod av 80 000 atomer av isotopen dysprosium-164. Atomerna placerades i en långsmal magnetisk fälla och bildade fyra separerade kvantdroppar på rad.
Dysprosium är särskilt intressant eftersom atomerna har starka magnetiska dipolmoment. Det betyder att de kan påverka varandra på längre avstånd och att växelverkan beror på hur atomerna är orienterade. Tillsammans med kortdistansinteraktioner och kvantfluktuationer kan detta skapa både droppar och supersolida tillstånd.
I simuleringens utgångsläge var dropparna emellertid isolerade från varandra. Systemets grundtillstånd var en droppkristall utan det sammanhängande superfluidiska skikt som krävs för en supersolid.
En rörlig barriär startade en kedjereaktion
För att förändra systemet lät forskarna en smal, repulsiv barriär röra sig genom raden av atomdroppar. I ett verkligt experiment skulle en sådan barriär kunna skapas med en fokuserad laserstråle som stöter bort atomerna.
När barriären träffade den första droppen sattes en kedja av händelser i gång:
- Den första droppen pressades och exciterades av barriären.
- Atomer lämnade droppen i ett tunt täthetsspår.
- Den exciterade droppen kolliderade med nästa droppstruktur.
- Atomer började tunnla och omfördelas mellan dropparna.
- Kollisionerna spreds vidare genom hela raden.
Forskarna beskriver förloppet som en lavin av oelastiska kollisioner, tunnling och så kallad självavdunstning. Energin från barriären fördelades gradvis mellan dropparna och den omgivande atomgasen.
Efter tillräckligt lång tid hade de frigjorda atomerna bildat ett lågintensivt men sammanhängande bakgrundsskikt. De tydliga dropparna fanns fortfarande kvar ovanpå detta skikt. Systemet uppvisade därmed både kristalliknande täthetsvariationer och en superfluid komponent.
Dropparna började svänga synkroniserat
Ett av de tydligaste resultaten var att de tidigare separerade dropparna började svänga i takt efter kollisionerna.
Det betyder inte att vanliga kristaller på stora avstånd plötsligt påverkade varandra. ”Kristallerna” i studien var täta områden i samma instängda kvantgas, separerade med bara några mikrometer.
Den gemensamma rörelsen är ändå betydelsefull. När dropparna svänger synkroniserat ovanpå den superfluidiska bakgrunden tyder det på att faskoherens har etablerats genom systemet.
Oscillationernas frekvens var dessutom betydligt lägre än den naturliga frekvensen i atomfällan. Enligt forskarna talar det för att rörelsen inte bara var en vanlig gungning av hela atomgasen. Den kan i stället vara kopplad till kollektiva lågenergimoder som är karakteristiska för supersolider.
Forskarna såg också att oscillationerna gradvis dämpades. I modellen berodde det bland annat på att energi överfördes mellan de tydliga dropparna och den superfluidiska bakgrunden.
Flera tecken pekade på supersoliditet
Forskarna använde flera oberoende mått för att bedöma om en supersolid hade bildats.
Rörelsemängden koncentrerades mot noll
Efter barriärens passage flyttades en större del av atomernas rörelsemängdsfördelning mot ett tydligt maximum vid noll rörelsemängd. En sådan topp förknippas med att många atomer delar ett sammanhängande kvanttillstånd.
Droppstrukturen fanns kvar
Trots kollisionerna och energiöverföringen försvann inte alla täthetsvariationer. Dropparna behöll i stor utsträckning sina avgränsade former och fortsatte att utgöra en kristalliknande struktur.
Den beräknade superfluidandelen ökade
Forskarna beräknade också en övre gräns för systemets superfluidandel. Den var noll i det ursprungliga tillståndet med isolerade droppar, men blev positiv efter att barriären passerat.
Måttet användes här i en heuristisk mening eftersom gasen befann sig i en harmonisk fälla och inte i den idealiserade geometri där uttrycket vanligtvis används. Resultatet stöddes dock av täthetskontrast, rörelsemängdsfördelning och dropparnas kollektiva rörelse.
Barriären måste ha rätt hastighet och styrka
Övergången inträffade inte för alla inställningar. Barriärens hastighet och höjd var avgörande.
I den studerade modellen uppstod supersolida egenskaper när barriärens hastighet låg under ungefär sex mikrometer per millisekund. Vid högre hastigheter passerade barriären så snabbt att dropparna knappt hann reagera.
Barriären behövde också vara tillräckligt hög för att sätta i gång kraftiga kollisioner och atomöverföring. När den var för svag uppstod främst vanliga kollektiva svängningar i droppkedjan.
En alltför stark barriär gav motsatt problem. Då tillfördes så mycket energi att dropparnas kristallstruktur kunde smälta, vilket gjorde att de supersolida kännetecknen försvann.
Det finns alltså ett användbart intervall mellan för liten och för stor påverkan. Forskarna hittade även tecken på resonanser där vissa hastigheter och barriärhöjder gav en särskilt stor superfluidandel. Exakt vilka kollektiva rörelser som ligger bakom resonanserna behöver undersökas vidare.
Ännu inget laboratorieresultat
En viktig begränsning är att studien bygger på den utvidgade Gross–Pitaevskii-ekvationen, en modell som ofta används för ultrakalla kvantgaser. Beräkningarna visar vad som bör kunna ske under de antaganden som ingår i modellen, men de bevisar inte att samma förlopp redan har observerats i ett experiment.
Forskarna genomförde även simuleringar med förluster orsakade av trepartikelkollisioner. Supersolida strukturer kunde fortfarande bildas, men antalet kvarvarande atomer och den superfluidiska bakgrunden minskade kraftigt över tid.
Metoden testades dessutom med två, fyra och sex droppar. Den grundläggande mekanismen fanns kvar, även om de mest gynnsamma barriärhastigheterna förändrades med systemets storlek.
Nästa steg blir därför att pröva protokollet experimentellt och undersöka hur robust synkroniseringen är vid ändlig temperatur, störningar och realistiska atomförluster.
Kan ge ett nytt sätt att styra exotisk materia
Supersolider har tidigare skapats genom att exempelvis ändra styrkan hos atomernas växelverkan. Den nya studien pekar på en annan möjlighet: att driva systemet in i ett supersolidliknande tillstånd genom en kontrollerad mekanisk störning, samtidigt som växelverkansparametrarna hålls fasta.
En fokuserad och rörlig laserstråle är redan ett etablerat verktyg inom forskning om ultrakalla gaser. Om beräkningarna kan bekräftas i laboratoriet skulle metoden därför kunna erbjuda ett relativt direkt sätt att skapa och undersöka supersolider utanför jämvikt.
Forskarna föreslår att liknande upplägg i framtiden kan användas för att studera kollektiva excitationer, solitoner och defekter i kvantgaser. I två dimensioner skulle roterande barriärer även kunna användas för att undersöka virvlar och kvantturbulens.
Resultatet är därmed främst ett förslag på hur ett ovanligt materietillstånd kan framställas och kontrolleras – inte ett steg mot en färdig kvantteknisk produkt. Först måste den förutsagda synkroniseringen och den superfluidiska bakgrunden verifieras experimentellt.
Vetenskaplig publikation: E. L. Brakensiek, G. A. Bougas och S. I. Mistakidis, Generation of dipolar supersolids through a barrier sweep in droplet lattices, förhandsversion publicerad på arXiv den 31 mars 2026. Läs originalstudien