Gewone vaste stoffen kun je niet door elkaar roeren. Een Oostenrijks onderzoeksteam beweert nu in een bijzonder quantummateriaal te hebben geroerd: een zogeheten ‘supersolide’ stof, die zich tegelijkertijd als een vaste stof én als een wrijvingsloze vloeistof gedraagt.

Onderzoekers hebben aangetoond dat een vreemde quantumtoestand van materie, die tegelijkertijd een vaste stof en een wrijvingsloze vloeistof is, geroerd kan worden. Daarbij ontstaan piepkleine wervelingen in het spul. Het werk is een stap voorwaarts in het begrijpen van de vreemde eigenschappen van dit soort supersolids, ofwel super-vaste-stoffen.

‘Ik heb nog nooit in mijn hele leven zo’n uitdagend experiment gedaan’, zegt natuurkundige Francesca Ferlaino van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk. In 2022 waren zij en haar collega’s de eerste onderzoekers ter wereld die een brokje super-vaste-stof maakten. Dit spul was groot genoeg om een pannenkoek te vormen met een diameter van ongeveer 0,01 millimeter. Nu waren ze benieuwd hoe het materiaal zou reageren als ze erin roerden.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Supervloeibaar en supervast

Een gewone vaste stof kun je niet roeren, maar super-vaste-stoffen zijn bijzonder. Ze hebben een kristalachtige structuur, net als de atomen in een diamant. Desondanks hebben ze geen viscositeit, wat betekent dat ze wrijvingsloos bewegen en dus ‘supervloeibaar’ zijn. Een super-vaste-stof dankt deze vreemde eigenschappen aan quantumeffecten die optreden bij extreem lage temperaturen.

De wetten van de natuurkunde schrijven voor dat in elke supervloeibare stof kleine wervelingen ontstaan wanneer deze wordt geroerd, aldus teamlid Thomas Bland, ook verbonden aan de Universiteit van Innsbruck. De onderzoekers wilden weten of deze wervelingen zich ook vormen in een supervloeibare vaste stof.

Roerstaaf

Ze maakten hun super-vaste-stof van enkele tienduizenden atomen van het zeldzame aardelement dysprosium. Die atomen koelden ze af tot een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. De volgende uitdaging was om de super-vaste-stof te roeren zonder de bijzondere eigenschappen ervan te vernietigen – iets wat nog niet eerder in experimenten was gedaan, zegt Eva Casotti van de Universiteit van Innsbruck, die ook aan het project werkte. De oplossing bleek om roterende magneetvelden als ‘roerstaaf’ te gebruiken.

Het in beeld brengen van de wervelingen in de geroerde super-vaste-stof was geen sinecure. Het midden van een wervel is leeg, dus de onderzoekers wilden het contrast zoeken tussen de lege wervelgebieden en de rest van de stof. Maar de gezochte wervelingen ontstonden juist op plekken waar het materiaal een erg lage dichtheid had – en waar het contrast dus minimaal was.

Om de wervelingen toch in beeld te brengen, bestookten de onderzoekers het materiaal met laserlicht. Daardoor ‘smolt’ een deel van de super-vaste-stof en sprongen de wervelingen meer in het oog. De onderzoekers rapporteren over hun vondst in een artikel op de website arXiv, waar wetenschappers hun werk delen nog voordat het een onafhankelijke controle doorstaat.

Neutronensterren

Quantumfysicus Tilman Pfau van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland, die niet bij het onderzoek betrokken was, vindt het experiment veelbelovend bewijs dat super-vaste-stoffen inderdaad gaan wervelen als ze geroerd worden. Maar hij zegt dat er wel nog ruimte is voor verbeteringen: beelden met een beter contrast en preciezere metingen. Zo is nog niet duidelijk hoe snel de wervelingen draaien.

‘Dit is echt een nieuwe materietoestand’, zegt natuurkundige Alessio Recati van de Universiteit van Trento in Italië, wiens eerdere werk diende als inspiratie voor het onderzoek. Hij zegt dat er nog momenteel nog meer nieuwe experimenten met super-vaste-stoffen worden gedaan. Die kunnen onbekende quantumeffecten aan het licht brengen die nog complexer zijn dan de supervloeibare wervelingen.

De gevonden toestand kan ook buiten het lab bestaan. Bland benoemt dat soortgelijke toestanden van materie – met wervelingen en al – in superdichte neutronensterren kunnen voorkomen.