Först var det bara en hypotes, sedan lyckades forskare bevisa den: när vissa typer av atomer kyls ner till extremt låga temperaturer uppstår en ny typ av materia. De nerkylda atomerna kan forma vad som kallas ett Bose-Einstein-kondensat, med egenskaper som man aldrig skulle se vid högre temperaturer. Ett exempel är superfluiditet, när materialet flyter utan motstånd. Ett annat är att det kan bildas ett slags ultrakalla ”droppar”, som binds samman av kvantmekaniska effekter.

Stephanie Reimann, professor i matematisk fysik vid Lunds universitet, utforskar de här fenomenen med hjälp av kvantteoretiska metoder. Det betyder också att hon får en chans att testa kvantfysikens teorier i praktiken. Nu tas ännu ett steg i arbetet – till analyser av superfluider med en struktur som liknar den i fasta ämnen. De kallas supersolida.

– Vi kom på att om man placerar självbundna droppar av starkt magnetiska atomer i en roterande ringstruktur så får man ett sammanhängande överlapp, som formar en superfluid som täcker hela strukturen. Atomerna fångas i ett tillstånd där de har kvar de egenskaper som förknippas med superfluiditet men ändå börjar uppföra sig som ett fast ämne, säger Stephanie Reimann.

Hennes och kollegornas beräkningar inspirerades av experiment utförda av forskare vid universiteten i Stuttgart, Innsbruck och Florens, där man funnit det nya supersolida tillståndet i atomer av de starkt magnetiska ämnena dysprosium och erbium. Nu vill forskarna i Lund hjälpa till att utforma experiment för att fortsätta undersöka deras egenskaper.

Kan leda vidare till känsliga mätningar

Stephanie Reimann beskriver hur nya framsteg inom kvantoptik gör det möjligt för forskare på hennes eget fält att ständigt utveckla nya idéer.

– Det är så inspirerande att arbeta nära experimentalisterna – det är helt fantastiskt vad de kan åstadkomma. Supersoliditet är ett nytt tillstånd som vi inte har sett tidigare, helt annorlunda mot den klassiska världens fasta materia. Systemen beter sig som ett slags magneter men med kvantmekaniska drag, och vi väntar oss att hitta många nya egenskaper hos dem, säger Stephanie Reimann.

Det här är en helt ny typ av kvantmateria. Vi behöver förstå dess egenskaper och hur vi kan använda dem.

De nya fenomenen kan i framtiden komma till användning i kvantsensorer, ett slags mätverktyg. Redan i dag finns sådana verktyg som bygger på supraledning, kallade Squids, som kan mäta magnetfält. De är extremt känsliga och kan bland annat detektera svag magnetisk aktivitet i hjärnan och hjärtat. De fenomen Stephanie Reimann utforskar skulle istället kunna användas i gyro- och accelerometrar som mäter rotation, rörelse eller lutning.

Men själv arbetar hon inte med tekniska applikationer eller med experiment, utan med teorin och beräkningarna. Just nu använder hon numeriska metoder för att lista ut vad som skulle hända med en superfluid eller supersolid om man till exempel skakar materialet, rör om i det, eller utsätter det för tryck.

Söker gränsen mellan få och många atomer

Stephanie Reimann ägnar sig också åt så kallade ”få- till mångkropps-problem” inom kvantfysiken. Det gäller frågan om hur få antalet partiklar behöver bli för att en viss kvantfas ska uppstå. När ett system blir mindre eller större förändras egenskaperna. Några tillkommer, medan andra försvinner.

– Mitt arbete handlar om att försöka koppla greppet om själva kvantteorin i mångkropps-system. I dagens fysik har vi knappt ens ett språk för att på rätt sätt beskriva det som händer när interaktionerna är mycket starka, och antalet kvantpartiklar mycket stort.

Exakt var gränserna går mellan få- och mångkroppssystem är ett av huvudproblemen inom Stephanie Reimanns forskningsfält. I system med få atomer kan hon använda exakta numeriska metoder. I stora system skulle det leda till omöjliga jätteberäkningar. Då måste hon istället göra kraftiga förenklingar och kan inte vara säker på att teorin visar rätt. Tillsammans med en forskargrupp vid universitetet i Heidelberg söker hon därför efter gränserna mellan systemen.

– Forskarna i Heidelberg är pionjärer inom experimentella få-kroppssystem. De har funnit sätt att mäta det exakta antalet atomer i systemen och avgöra deras tillstånd. På så vis kan vi försöka förstå hur superfluiditet och superkonduktivitet byggs upp på vägen från ett litet antal atomer till stora system. Experimentella data från dem gör det möjligt för oss att ta nästa steg i teorin. Det är superspännande!

Lyckligast mitt i forskningen

Stephanie Reimann drömde en gång i tiden om att bli cellist, och spelar gör hon fortfarande. Men till sist valde hon ändå forskarbanan. Hon disputerade i Regensburg i Tyskland, följt av två perioder som postdoktor, först i Köpenhamn, sedan i finska Jyväskylä. Nu har hon varit i Lund sedan år 2000. Som professor och senior forskare behöver hon hantera mer administration än någonsin förut, men hon lägger så mycket tid hon kan på själva forskningen.

– Allra lyckligast är jag när jag är mitt i det riktigt täta samarbetet med medlemmarna i min grupp. När vi delar idéerna, beräkningarna, kreativiteten, och upprymdheten när allt faller på plats. Jag ger mina yngre kollegor mycket frihet. Det kan vara riskabelt, men de blir bättre forskare av det. Jag tycker om att se dem växa.

Text Lisa Kirsebom
Bild Kennet Ruona