Een groep onderzoekers uit Rusland, Duitsland en Iran hebben computationele methoden ontwikkeld voor een theorie die het gedrag van koude atomen en ionen in optische en elektromagnetische vallen beschrijft. Dergelijke methoden kunnen modelleren met volledig gecontroleerde kwantumsystemen van complexe processen in de vastestoffysica en de hoge-energiefysica mogelijk maken. Andere mogelijke toepassingen zijn het ontwerpen van elementen van een kwantumcomputer en een ultraprecieze atoomklok op basis van ingesloten ultrakoude atomen en ionen. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling E .

Bij ultralage temperaturen, atomen bewegen met een zeer lage snelheid, waarmee onderzoekers zeer nauwkeurige experimenten kunnen uitvoeren. Echter, de experimenten interpreteren en plannen, theoretische berekeningen zijn vereist. Dr. Vladimir Melezhik van de RUDN University houdt zich bezig met berekeningen van resonantieverschijnselen en botsingsprocessen in ultrakoude kwantumgassen. Kwantumgas wordt bij ultralage temperaturen vastgehouden in een optische val gevormd door speciaal afgestemde laserstralen. De experimentele techniek maakt het mogelijk om de parameters van dergelijke kwantumsystemen te controleren en af ​​te stemmen:het aantal deeltjes, hun spinsamenstelling, temperatuur, en de effectieve interactie tussen atomen. Echter, kwantitatieve beschrijving van de processen wordt aanzienlijk bemoeilijkt door het feit dat in dergelijke systemen, de atomen interageren niet alleen met elkaar, maar ook met de val.

Vladimir Melezjik en zijn co-auteurs richten zich op atomaire en ionenvallen, die de vorm hebben van zeer langwerpige sigaren en vergelijkbaar zijn met golfgeleiders die worden gebruikt voor de transmissie van elektromagnetische golven. De onderzoekers bestuderen al lang de voortplanting van elektromagnetische straling in golfgeleiders, en hebben effectieve berekeningsmethoden ontwikkeld. Echter, een kwantitatieve theorie die ultrakoude processen in atomaire en ionengolfgeleiders zou kunnen beschrijven, is nog in ontwikkeling.

"De val voegt een complexiteit toe aan het probleem. In de vrije ruimte, er zijn geen voorkeursrichtingen. Deze omstandigheid maakt het mogelijk om het zesdimensionale kwantum-tweelichamenprobleem van twee botsende atomen te reduceren tot een ééndimensionaal probleem. Dit is het belangrijkste probleem van de kwantummechanica, beschreven in leerboeken. Echter, in de atoomval, vanwege het verschijnen van een voorkeursrichting, de symmetrie wordt geschonden waardoor het onmogelijk is om het probleem te herleiden tot een eendimensionaal probleem. In bepaalde gevallen kan het probleem worden teruggebracht tot de tweedimensionale Schrödingervergelijking. Echter, in de meeste interessante gevallen wordt het noodzakelijk om de Schrödingervergelijking in hogere dimensies te integreren. Om deze klasse van problemen op te lossen, men moet speciale rekenmethoden ontwikkelen en krachtige computers gebruiken. We zijn erin geslaagd om aanzienlijke vooruitgang te boeken op deze pas, ", zei auteur Vladimir Melezjik.

Door de parameters van de val te wijzigen, onderzoekers kunnen de intensiteit van effectieve interatomaire interacties controleren, van supersterke aantrekking tot supersterke afstoting van atomen. Dit maakt het mogelijk om verschillende kritische kwantumfenomenen te simuleren met behulp van ultrakoud opgesloten atomen.

"Een van de gebieden van ons werk is een numerieke studie van ultrakoude kwantumsystemen met behulp van hybride atomaire-ionvallen, nieuwe mogelijkheden bieden voor het modelleren van enkele actuele processen van de vastestoffysica, elementen van quantum computing en precisiefysica-onderzoek, ’ concludeerde de wetenschapper.