I en artikel i Nature Communications har fysikere J. Sánchez-Baena et al. fra Aarhus Universitet for nylig undersøgt opførslen af en dipolær kvantevæske, når den opvarmes. Det er en væske, der henviser til en type stof, som eksisterer ved ekstremt lave temperaturer, hvor atomerne har en ujævnt fordelt elektrisk ladning. Denne undersøgelse viste, at når en dipolær kvantevæske blev opvarmet, begyndte den at danne et unikt fast stof, i modsætning til hvad man tidligere havde troet. Denne forskning giver ny indsigt i dipolære kvantevæskers adfærd og kan få betydning for udviklingen af nye materialer og teknologier.

"Fysikken i dipolære kvantevæsker har allerede afsløret mange overraskelser, men vi havde slet ikke forventet, at disse væsker kunne størkne ved opvarmning." (Oversat fra engelsk til dansk)
- Thomas Pohl, der har ledet den teoretiske indsats på Aarhus Universitet.

Vi hører typisk ikke om en væske, der bliver til et fast stof ved opvarmning. Dette var også forventet i forbindelse med dipolære kvantevæsker, fordi varme ifølge vores intuition forvandler et fast stof til en væske og til sidst fordamper den dannede væske. Forskerne J. Sánchez-Baena, C. Politi, F. Maucher, F. Ferlaino og T. Pohl fandt imidlertid meget overraskende resultater i deres eksperimenter med ultrakold dysprosiumatomer. Disse atomer henviser til atomer af grundstoffet dysprosium, som er blevet afkølet til ekstremt lave temperaturer ved hjælp af specialiserede køleteknikker. Når atomerne afkøles til næsten det absolutte nulpunkt, går de ind i en kvantetilstand, der kaldes et Bose-Einstein-kondensat (BEC), hvor de opfører sig som en enkelt enhed og udviser unikke kvantefænomener såsom superfluiditet og kohærens. 

I denne undersøgelse fandt forskerne ud af, at den superflydende BEC-tilstand ændrede sig til en "superfast" tilstand, når temperaturen blev hævet. En supersolid tilstand er en stoftilstand, der både har egenskaberne af et fast stof og en superfluid tilstand. I en superfluid er atomer eller molekyler i stand til at flyde uden modstand, mens atomerne i et fast stof er arrangeret i et fast mønster og har en fast form. Denne overraskende adfærd ved overgangen mellem flydende og fast stof skyldes den anisotropiske dipol-dipol-interaktion. 

"Studiet af denne effekt har rejst mange flere spørgsmål, og jeg håber, at vi vil kunne bruge vores nye viden til at løse nogle af disse resterende mysterier." (oversat fra engelsk til dansk)
- Juan Sánchez Baen (Aarhus Universitet), førsteforfatter af artiklen.

Hvis temperaturen i en dipolær kvantevæske hæves, kan det udløse en faseovergang til en fast stoftilstand. Opvarmning har normalt tendens til at smelte eller fordampe et materiale, men i en dipolær kvantevæske kan den skabe en superfast tilstand bestående af mesoskopiske kvantedråber, der arrangerer sig i regelmæssige strukturer.
(Billede venligst udlånt af: Thomas Pohl)

Lad os udpensle, hvad anisotrop dipol-dipol-interaktion henviser til. Det er vekselvirkningen mellem to partikler, der har elektriske ladninger, som ikke er jævnt fordelt, hvilket får dem til at optræde som små magneter. Udtrykket "anisotropisk" betyder, at vekselvirkningen er retningsafhængig - dvs. at vekselvirkningens styrke og retning afhænger af orienteringen af det magnetiske dipolmoment for hver partikel i forhold til den anden. Dipol-dipol-interaktionen kan være tiltrækkende eller frastødende, afhængigt af dipolernes orientering. Når de er parallelle, er vekselvirkningen tiltrækkende, men når de er antiparallelle, er vekselvirkningen afvisende. 

Undersøgelsen beskriver også detaljeret de teoretiske aspekter, de gennemførte eksperimenter og billeddannelsesteknikker, herunder brugen af et magnetfelt til at manipulere atomerne og observere deres adfærd. Resultaterne af denne undersøgelse giver ny indsigt i opførslen af dipolære kvantevæsker og har grundlæggende betydning for vores forståelse af termodynamikken i kvantematerie, hvilket kan få indflydelse på den fremtidige udvikling af nye materialer og teknologier.