Door zachtjes met een paar lasers in een wervelende wolk van onderkoelde lithiumatomen te prikken, en het observeren van de reactie van de atomen, onderzoekers van Swinburne hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de eigenschappen van kwantummaterialen te onderzoeken.

Kwantummaterialen - een familie die superfluïden omvat, supergeleiders, exotische magneten, ultrakoude atomen en recent ontdekte 'topologische isolatoren' - vertonen op grote schaal enkele van de opmerkelijke kwantumeffecten die gewoonlijk worden geassocieerd met microscopische en subatomaire deeltjes.

Maar, terwijl de kwantummechanica het gedrag van microscopische deeltjes verklaart, het toepassen van de kwantumtheorie op grotere systemen is veel uitdagender.

"Terwijl het potentieel van kwantummaterialen, zoals supergeleiders, valt niet te ontkennen, we moeten de onderliggende kwantumfysica die in deze systemen speelt volledig begrijpen om hun ware mogelijkheden vast te stellen, " zegt Chris Vale, een universitair hoofddocent bij het Centrum voor Quantum en Optical Science, die het onderzoek leidde. "Dat is een groot deel van de motivatie voor wat we doen."

Universitair hoofddocent Vale en zijn collega's, waaronder Sascha Hoinka en Paul Dyke, ook in Swinburne, een nieuwe manier ontwikkeld om het gedrag van deze familie van materialen te onderzoeken. Ze ontdekten toen een 'Fermi-gas' van lithiumatomen, een eenvoudig kwantummateriaal, kwam in een kwantum 'superfluïde' toestand.

Nieuw systeem toetst theorieën aan experimenten

Met hun systeem kunnen theorieën over supergeleiding en gerelateerde kwantumeffecten nauwkeurig worden vergeleken met experimenten, om te zien of de theorieën juist zijn en hoe ze kunnen worden verfijnd.

De vooruitgang van de onderzoekers was gebaseerd op het feit dat de speciale eigenschappen van kwantummaterialen naar voren komen wanneer hun samenstellende deeltjes in een gesynchroniseerde toestand komen. De nulweerstandsstroom van elektronen door supergeleiders, bijvoorbeeld, ontstaat wanneer elektronen kunnen samenwerken om 'Cooper-paren' te vormen.

Dankzij de geavanceerde experimentele opstelling van het team kon dit gecoördineerde kwantumgedrag worden gedetecteerd. Door de interactie van hun lasers met het Fermi-gas te verfijnen, Universitair hoofddocent Vale en zijn collega's waren voor het eerst in staat om het ongrijpbare, lage energie Goldstone-modus, een excitatie die alleen voorkomt in systemen die een gesynchroniseerde kwantumtoestand zijn binnengegaan.

"Omdat ons experiment een goed gecontroleerde omgeving biedt en het uiterlijk van de Goldstone-modus heel duidelijk is, onze metingen bieden een maatstaf waarmee kwantumtheorieën kunnen worden getest voordat ze worden toegepast op complexere systemen zoals supergeleiders, ' zegt universitair hoofddocent Vale.

"Door methoden te ontwikkelen om grote systemen te begrijpen die zich kwantummechanisch gedragen, we bouwen de kennisbasis die de toekomstige kwantumtechnologieën zal ondersteunen."

Het onderzoek van het team is gepubliceerd in het online tijdschrift Natuurfysica .