En, to, mange – fødslen af en faseovergang

Det kan næsten virke som et paradoks opstået af Shubidua’ske spidsfindigheder, når man spørger sig selv, hvor meget vand man skal have for at have et glas vand, og hvor det vand egentlig kommer fra. Men spørgsmålet blev stillet allerede af de gamle grækere og er derfor i dag kendt som ’Sorites paradokset’.

Direkte oversat fra græsk betyder sorites ’bunke’, og i forskningens verden kan paradokset finde anvendelse, når man for eksempel ser på komplekse molekylesystemer og forsøger at dechifrere, hvordan et givent system er opbygget og hvilke elementer, der er styrende for systemets opståen og stabilitet.

Hvis vi holder fast i vores imaginære glas med vand, kan man med udgangspunkt i paradokset spørge sig selv, om vi stadig kan bruge den samme 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?

Den sangtekst var nok næppe blevet et hit til fællessang, men for den teoretiske kvantefysiker Georg M. Bruun fra Aarhus Universitet er de samme spørgsmål undersøgt i artiklen Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell i det ansete magasin, Nature.

”Et glas med vand kan 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. Men det hele er bygget op af vandmolekylerne, som derved er styrende for systemet – og her mangler vi endnu at forstå overgangene,” forklarer Georg M. Bruun, der er professor ved Institut for Fysik og Astronomi.

Han har, sammen med samarbejdspartnere ved universiteterne i Heidelberg og Lund, forklaret hvordan en eksotisk form for væske, en såkaldt supervæske, opstår og stabiliseres på kvantefysisk niveau. At forstå hvordan en kollektiv opførsel i et system opstår af individuelle partikler har længe været et mål inden for fysikkens verden, og med dette arbejde er man kommet et langt skridt.

En berømt partikel træder frem

En helt central del af den moderne fysiks succes bygger på anvendelsen af såkaldte effektive teorier. Det betyder, at vi ignorerer de finere detaljer i det mikroskopiske, og ser på den større helhed i en mere grovkornet makroskopisk beskrivelse af naturen. Vi ser et glas vand frem for myriader af vandmolekyler. Men hvornår opfører individuelle molekyler eller atomer sig som et system?

Det har gruppen brugt kvantesimulation med kolde atomer til at observere. Eksperimenterne er udført i Tyskland, hvor man har fanget atomerne i et enkelt lag ved hjælp af lasere. Her satte man 2, 6 og 12 atomer ind i laserfælden, så man kunne observere, hvornår de begyndte at opføre sig mere kollektivt som et system og mindre som individuelle atomer.

Forsøgene viste, at man allerede ved 6-12 atomer kunne se begyndelsen af en kollektiv tilstand mellem atomerne, og desuden ane skyggen af en berømthed inden for fysikken: Higgs-partiklen.

Kan det skvulpe er det et glas vand

I sig selv var det lidt sjovt for forskerne, at de kunne se forstadierne til en Higgs-partikel i et forholdsmæssigt billigt eksperiment, der i princippet kan stå på i stuebord. Det skal sammenlignes med det enormt dyre eksperiment ved CERN, hvor Higgs-partiklen i 2012 blev set i en kæmpe acceleratorring på 27km. Higgs-partiklen er grunden til, at stof i universet har masse, og det er interessant, at den også opstår i et kvantefysik system på tærsklen mellem det mikroskopiske og makroskopiske regime.

”Vi har set, hvordan Higgs-partikelen er forbundet med en kvantefaseovergang mellem en normal og en superflydende væske. Vi har også set, hvordan partiklen gradvist opstår, når systemet bliver større. Resultaterne viser, at kvantesimulation med atomer kan bruges til systematisk at undersøge, hvordan makroskopisk opførsel opstår med stigende antal partikler.

Sagt med et glimt i øjet, så har det foreløbigt vist os, at man har et glas vand, hvis man kan skvulpe med atomerne i glasset – men vi er slet ikke færdige med at afdække overgangen mellem individuel og kollektiv opførsel, der omfatter mange andre sjove fænomener som f.eks. Higgs-partiklens ”fætter” Goldstone-partiklen og kvanteeffekter såsom superledning”, siger Georg M. Bruun.