Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

En, to, mange – fødslen af en faseovergang

Georg M. Bruun har sammen med samarbejdspartnere ved universiteterne i Heidelberg og Lund publiceret en artikel i Nature, hvor de bruger kvantesimulation med kolde atomer til at observere, hvordan en såkaldt Higgs-eksitation forbundet med en kvantefaseovergang mellem en normal og en superflydende væske gradvist opstår partikel for partikel.

30.11.2020 | Ole J. Knudsen

Atomer i et to-dimensionelt lag binder sig sammen i såkaldte Cooper par, der leder til superfluiditet i den termodynamiske grænse. Illustration fra artiklen.

Atomer i et to-dimensionelt lag binder sig sammen i såkaldte Cooper par, der leder til superfluiditet i den termodynamiske grænse. Illustration fra artiklen.

En helt central del af den moderne fysiks succes bygger på anvendelsen af såkaldte effektive teorier, hvor mikroskopiske detaljer er ignoreret til fordel for en simplere mere grovkornet makroskopisk beskrivelse af naturen. Et glas med vand kan for eksempel beskrives med de termodynamiske begreber tryk, temperatur og tæthed, hvorimod man i langt de fleste tilfælde ikke behøver bekymre sig om opførslen af hvert enkelt vandmolekyle.

Makroskopiske systemer udviser endvidere karakteristiske egenskaber såsom brudt symmetri, faseovergange (f.eks. mellem vand og is) og kollektive svingninger (f.eks. lydbølger), som generelt ikke kan forstås ved at kigge på den mikroskopiske opførsel af hver enkelt partikel. Derimod giver de effektive teorier en præcis og effektiv beskrivelse af disse fænomener.

Det giver anledning til et vigtigt spørgsmål, som allerede blev formuleret af de gamle grækere og derfor er kendt som Sorites paradoks: Kan vi stadig bruge den samme makroskopiske beskrivelse af glasset med vand, når et enkelt vandmolekyle fjernes? På hvilket tidspunkt begynder systemet at opføre sig anderledes end vand, når man fjerner flere og flere molekyler?

Inspireret af et teoretisk forslag af Georg Bruun har Selim Jochims eksperimentelle gruppe i Heidelberg studeret netop dette spørgsmål for et superflydende system. V.h.a. imponerende eksperimentel kontrol har de realiseret mesoskopiske systemer bestående af 2, 6, og 12 fermioniske atomer. De observerede så, at den laveste eksitationsenergi i disse såkaldte ”magic number” systemer først falder og dernæst stiger som funktion af tiltrækningen mellem partiklerne. Desuden består eksitationen udelukkende af par af atomer eksiteret ét niveau op. Netop disse to egenskaber er ifølge Georg Bruuns teoretiske forudsigelser karakteristiske for en forløber for en såkaldt Higgs-svingning associeret med en kvantefaseovergang mellem en normal og en superflydende fase i den termodynamiske grænse. Resultaterne viser, hvordan kvantesimulation med atomer kan bruges til systematisk at undersøge, hvordan makroskopisk opførsel opstår med stigende antal partikler.  

Den originale publikation kan findes her.

Institut for Fysik og Astronomi, Offentligheden / Pressen, Medarbejdere, Studerende