Een team van onderzoekers onder leiding van LMU-hoogleraar natuurkunde Immanuel Bloch heeft experimenteel een exotisch kwantumsysteem gerealiseerd dat bestand is tegen vermenging door periodieke krachten.

Als James Bond de barkeeper om een ​​martini vraagt ​​("shaken, niet geroerd"), hij gaat ervan uit dat de ingrediënten van de drank mengbaar zijn. Als hij de bestelling zou plaatsen in een bar in het kwantumrijk, echter, Agent 007 staat misschien voor een verrassing! Voor een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen Pranjal Bordia, Professor Immanuel Bloch (LMU en Max-Planck-Institute for Quantum Optics) en Professor Michael Knap (TU München, Physics Department en Institute for Advanced Study) heeft nu een vorm van kwantummaterie voorbereid die bestand is tegen schudden - een eigenschap die het leven van cocktailliefhebbers moeilijk zou maken.

In feite, het probleem met kwantummaterie ligt normaal gesproken in zijn zeer gevoeligheid voor verstoring:de actie van zelfs zwakke oscillerende krachten heeft doorgaans drastische gevolgen op de lange termijn en zal naar verwachting de oorspronkelijke toestand ervan drastisch veranderen. Daarom werd – tot nu toe – algemeen aangenomen dat kwantumsystemen normaal gesproken vatbaar zouden moeten zijn voor vermenging, omdat schudden energie in het systeem injecteert, en zou ervoor moeten zorgen dat het voor onbepaalde tijd opwarmt.

Maar de groep uit München heeft nu experimenteel een exotische kwantumtoestand gekarakteriseerd die zich niet op deze manier gedraagt:wanneer onderworpen aan een periodieke kracht, de bestanddelen vermengen zich niet. De onderzoekers koelden eerst een wolk van kaliumatomen af ​​tot extreem lage temperatuur in een vacuümkamer. Vervolgens laadden ze de ultrakoude atomen in een optisch rooster dat werd gevormd door zich in tegengestelde richting voortplantende laserstralen die staande golven genereren. Zo'n rooster kan worden gezien als een netwerk van energiebronnen waarin de atomen afzonderlijk kunnen worden opgesloten, zoals de eieren in een eierdoos. "In aanvulling, we waren in staat om op een gecontroleerde manier wanorde in het rooster te introduceren door willekeurig de diepte van de individuele putten te veranderen, " zegt Pranjal Bordia, eerste auteur van de nieuwe studie. Op deze manier, de kaliumatomen kunnen worden gelokaliseerd in speciale delen van het netwerk, en waren niet gelijkmatig verdeeld binnen het rooster. De natuurkundigen schudden vervolgens het rooster door periodiek de intensiteit van het laserlicht te variëren. Maar het systeem bleek zo stabiel dat de gelokaliseerde groepen atomen niet vermengden. De kaliumatomen werden wat heen en weer geslingerd, maar hun algehele verdeling in het rooster bleef intact.

De experimenten bevestigen recent gepubliceerde voorspellingen met betrekking tot een specifieke klasse van kwantumsystemen waarin wanorde daadwerkelijk dient om kwantumdeeltjes te lokaliseren. Bovendien, de waarneming dat deze nieuw gerealiseerde exotische kwantumtoestand onverwacht lang stabiel bleef, wordt ondersteund door de resultaten van daaropvolgende hoogwaardige numerieke simulaties. De experimentele demonstratie van dit kwantumsysteem kan praktische gevolgen hebben voor de inspanningen om robuuste kwantumcomputers te ontwikkelen, en studies van exotische kwantumtoestanden beloven nieuwe inzichten op te leveren in fundamentele kwesties in de theoretische fysica.