Twee onderzoekers van de Universiteit van Heidelberg hebben een modelsysteem ontwikkeld dat een beter begrip van de processen in een kwantumfysisch experiment met ultrakoude atomen mogelijk maakt. Met behulp van computerondersteunde methoden, Prof. dr. Sandro Wimberger en David Fischer van het Instituut voor Theoretische Fysica ontdekten natuurkundige wetten die wijzen op de universele eigenschappen van dit systeem. Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Annalen der Physik .

Onder bepaalde omstandigheden, kleine deeltjes volgen totaal andere natuurkundige wetten dan we gewend zijn. "Het observeren van dergelijke kwantumfysische verschijnselen, echter, is soms moeilijk en vereist het werken met kleine en geïsoleerde systemen en deze te onderzoeken. Maar perfecte isolatie van de omgeving is nooit mogelijk, dus externe invloeden kunnen de fragiele toestand van het kwantumsysteem gemakkelijk vernietigen, " legt hoofdauteur David Fischer uit, een student natuurkunde aan de Universiteit van Heidelberg. Voor experimenten op dit gebied, het onder controle houden van dergelijke verstoringen is van groot belang. "Deze controle stelt ons niet alleen in staat om de samenhang van het systeem te waarborgen, maar het kan ook selectief worden gebruikt om speciale voorwaarden te bewerkstelligen, " benadrukt prof. Wimberger.

Ultrakoude atomen gevuld in zogenaamde potentiaalputten zijn in veel experimenten geschikte testobjecten gebleken. Een speciale laserconfiguratie wordt gebruikt om een ​​barrière te genereren die de atomen in een klein gebied opsluit. Als er dan meerdere putten dicht genoeg bij elkaar worden gebracht, de atomen hebben het vermogen om van de ene put naar een aangrenzende te "tunnelen". Ze zitten nog steeds vast in de putten, maar kan van de ene put naar de andere gaan, volgens de Heidelbergse natuurkundigen. De temperatuur van de atomen, die bij -273,15 graden Celsius nog maar net boven het absolute nulpunt ligt, bevordert dit kwantummechanische gedrag.

Bij het ontwikkelen van hun modelsysteem, David Fischer en Sandro Wimberger reproduceerden een experiment dat werd uitgevoerd aan de Technische Universiteit van Kaiserslautern. Daar, het gedrag van koude atomen in een keten van potentiële putten werd onderzocht. De onderzoekers vulden de keten met atomen, de middelste put geleegd, en zag hoe het zich vulde met atomen uit de andere bronnen. "De resultaten van deze studie suggereren dat decoherentie, d.w.z. externe interferentie, speelt een cruciale rol in dit proces. Wat onduidelijk is, is welke microscopische processen het kwantumsysteem gebruikt om te interageren met de omgeving, ", zegt David Fischer.

In hun computerondersteunde simulatie van het bijvulproces, de twee Heidelberg-onderzoekers testten verschillende hypothesen en onderzochten welke processen het gedrag van het modelsysteem daadwerkelijk beïnvloedden. Onder andere, ze merkten dat de tijd die nodig was voor het bijvulproces varieerde op basis van de systeemparameters. Deze duur volgt een machtswet, afhankelijk van de door de onderzoekers gespecificeerde decoherentie. "In de natuurkunde dit is vaak een teken van een universeel gedrag van het systeem dat geldt voor alle schalen, vandaar de vereenvoudiging van het algemene probleem, " stelt prof. Wimberger.