Ultrakoude atomen kennen ook "trio's" en "viertal"

Multi-deeltjesinteractie op ultrakoude atomen in het optische rooster voor het eerst gedetecteerd

Ineenstorting en heropleving van het materieveld: kwantumdynamica van ultrakoude Bose-Einstein-condensaten in een optisch rooster onthullen exotische botsingen met meerdere deeltjes. De foto toont een reeks interferentiebeelden die elke 40 microseconden zijn opgenomen. Een enkele cyclus van dynamiek wordt gemarkeerd in kleur. © MPQ voor Quantum Optics
voorlezen

Voor ultrakoude atomen in een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat spelen, in tegenstelling tot de huidige aannames, niet alleen paarsgewijze interacties, maar ook effecten tussen verschillende atomen een belangrijke rol. Dit resultaat, nu gepubliceerd in Nature, is van fundamenteel belang voor het begrip van kwantum veel-lichaamssystemen; het maakt ook het genereren van exotische materiestaten mogelijk op basis van zoveel deeltjesinteracties.

Bij extreem lage temperaturen kunnen atomen in zogenaamde Bose-Einstein-condensaten zich verenigen om coherente laserachtige materiegolven te vormen. Vanwege de interacties van de atomen met elkaar, ontwikkelen deze materiegolven een soort eigen momentum, dat op termijn

periodieke ineenstorting en heropleving van de golfveldleidingen. Wetenschappers onder leiding van Immanuel Bloch, professor in de experimentele fysica aan de Ludwig-Maximilians-Universität München en directeur van het Max Planck Instituut voor kwantumoptica in Garching, hebben deze kwantumdynamiek nu al lang kunnen observeren. Daartoe genereerden de onderzoekers duizenden miniatuur Bose-Einstein-condensaten, regelmatig gerangschikt in een "optisch rooster", en volgden de ineenstorting en heropleving van materiegolven. Ze ontdekten iets verrassends.

Eierdoos voor ultrakoude atomen

Het experiment begint met het afkoelen van een dunne wolk van enkele honderdduizend atomen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt. Bij deze temperaturen vormt zich een Bose-Einstein-condensaat (BEC), een kwantumfase waarin alle atomen zich in dezelfde kwantumtoestand bevinden. Dit condensaat wordt nu gesuperponeerd op een optisch rooster: dit is een soort kunstmatig kristal van licht, waarin lichte en donkere gebieden periodiek afwisselen door superpositie van verschillende stationaire laserlichtgolven. In dit kristal - vergelijkbaar met een eierdoos - zijn de atomen verdeeld over de roosterplaatsen.

Maar terwijl in een echte eierdoos in een grot, of precies één of helemaal geen ei, worden de bezettingsgetallen hier beheerst door de wetten van de kwantummechanica. Hoewel de waarschijnlijkheid van één of twee atomen op een roosterplaats het grootst is, maar met een juiste aanpassing van de roosterhoogte - hier de laserintensiteit - ook drie, vier of meer atomen kunnen voorkomen. En aangezien dit kwantumdeeltjes zijn, kunnen alle bevolkingsaantallen met verschillende gewichten gelijktijdig voorkomen. tonen

Trillingsfrequentie verdrijft botsingen

Het bestaan ​​van deze overlappende omstandigheden is de sleutel tot het nieuwe meetprincipe. "Net zoals pendels van verschillende lengte ook verschillende trillingsfrequenties hebben, wordt elke bezettingsstatus gekenmerkt door een bepaalde natuurlijke frequentie", legt Sebastian Will uit, een promovendus in het experiment. St e tussen de atomen beïnvloeden de natuurlijke frequenties. Als, zoals eerder werd aangenomen, de atomen altijd in paren zouden botsen, dan zouden de frequenties van hogere bezettingsstaten altijd een veelvoud zijn van de fundamentele frequentie van een twee-staten.

Met een lastige experimentele opstelling slaagden de natuurkundigen erin de superpositie van de verschillende trillingen in hun tijdelijke evolutie te volgen. De wetenschappers konden waarnemen dat er regelmatig interferentiebeelden optreden een teken dat de trillingen in de gewone modus zijn en dan weer samenvallen.

Niet verklaarbaar met alleen paarinteractie

De intensiteit en periodiciteit van de interferentiebeelden resulteren in een beatpatroon dat niet kan worden verzoend met een pure paarinteractie, legt Sebastian Will uit. Integendeel, een complexer boegschroefmechanisme moet effectief zijn, wat ook de interactie van verschillende atomen met elkaar omvat, we kunnen een betrokkenheid van maximaal zes aantonen . Dergelijke exotische stukken zijn mogelijk, omdat Heisenberg's principe van vervaging de atomen in staat stelt een virtuele omweg te maken over energetisch hogere kwantumtoestanden tijdens de botsing.

Uitzonderlijke beheersbaarheid helpt bij onderzoek

Dit resultaat is verrassend en fundamenteel om de interactie tussen microscopische deeltjes beter te begrijpen. Tegelijkertijd toont het de hoge mate van controle dat kwantummaterie kan worden gemanipuleerd in optische rasters. De wetenschappers willen deze buitengewone bestuurbaarheid gebruiken om complexe solid-state systemen te "simuleren" en de fysica te verklaren die ten grondslag ligt aan supergeleiding of kwantummagnetisme. Een ander voordeel van optische roosters is dat elk van de enkele honderdduizend rasterplaatsen een miniatuurlaboratorium vertegenwoordigt om exotische kwantumtoestanden te genereren. Dit maakt deze opstellingen waarschijnlijk de meest gevoelige instrumenten voor het waarnemen van atoomstukken.

(Max Planck Institute of Quantum Optics, 17.05.2010 - NPO)