Experimenten met ultrakoude atomen aan de TU Wien hebben verrassende resultaten opgeleverd:gekoppelde atoomwolken synchroniseren binnen milliseconden. Dit effect kan niet verklaard worden door standaardtheorieën.

Wanneer atomen worden afgekoeld tot bijna nul temperatuur, hun eigenschappen veranderen volledig. Ze kunnen veranderen in een Bose-Einstein-condensaat, een ultrakoude toestand van materie, waarin de deeltjes hun individualiteit verliezen en alleen collectief kunnen worden beschreven - als één enkel kwantumobject.

Aan de TU Wien (Wenen), wolken van ultrakoude atomen worden al jaren bestudeerd. Ze zijn een perfect modelsysteem om fundamentele vragen van de kwantumfysica met veel deeltjes te bestuderen. Nu heeft het onderzoeksteam van professor Jörg Schmiedmayer (Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica, TU Wien) heeft opmerkelijke resultaten gevonden die door geen van de bestaande theorieën kunnen worden verklaard. Wanneer twee ultrakoude kwantumgassen worden gekoppeld, ze kunnen spontaan synchroniseren, oscilleren in perfecte harmonie na slechts een paar milliseconden. Dit betekent dat leerboektheorieën over Bose-Einstein-condensaten opnieuw moeten worden bekeken. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Atomen in de val

"We gebruiken een speciaal ontworpen atoomchip om de atomen af ​​te koelen en hun eigenschappen te wijzigen", zegt Jörg Schmiedmayer. "De chip kan honderden of duizenden atomen vangen en hun collectieve eigenschappen manipuleren met elektromagnetische velden."

Aanvankelijk, een wolk van atomen wordt afgekoeld tot een temperatuur van slechts enkele nanokelvins. "Vervolgens, met behulp van de atoomchip, we creëren een barrière, het scheiden van de wolk in twee delen", zegt Marine Pigneur, eerste auteur van het papier en Ph.D. student in het team van Schmiedmayer. "Als de drempel laag genoeg is, atomen kunnen nog steeds van de ene naar de andere kant gaan door een effect dat kwantumtunneling wordt genoemd. Daarom, de twee atoomwolken zijn niet volledig onafhankelijk, ze zijn gekoppeld."

Volgens de kwantumfysica, elk object kan worden beschreven als een golf. De golfeigenschappen zijn voor ons niet zichtbaar, omdat de objecten waar we dagelijks mee te maken hebben te groot en te heet zijn. Het gedrag van koude atomen, echter, wordt sterk beïnvloed door deze golfeigenschappen.

Een van deze eigenschappen is de fase, wat kan worden begrepen door de kwantumgolf te vergelijken met een tikkende klok:"Stel je twee identieke slingerklokken voor", zegt Jörg Schmiedmayer. "Ze kunnen perfect gesynchroniseerd zijn, zodat de twee slingers allebei hun laagste punt op precies hetzelfde moment bereiken, maar typisch, hun beweging is een beetje niet synchroon. In dat geval, we spreken van een faseverschil tussen de twee slingers."

Wanneer de twee atoomwolken ontstaan, ze beginnen zonder faseverschil - ze zijn perfect gesynchroniseerd. Maar met behulp van de atoomchip, ze kunnen worden gedesynchroniseerd. Het kwantumfaseverschil tussen de twee atoomwolken (de mate waarin ze niet synchroon lopen) kan met grote precisie worden gecontroleerd. Daarna, de twee wolken worden nauwlettend gevolgd om te zien of dit faseverschil in de loop van de tijd verandert.

Als twee klassieke slingers zijn gekoppeld door een rubberen band, de band zal een deel van de energie verdrijven en de twee slingers zullen synchroniseren. Iets soortgelijks gebeurt met de twee atoomwolken:als ze gekoppeld zijn, ze synchroniseren automatisch, in opmerkelijk korte tijd. "Dit klinkt normaal, als we denken aan slingerklokken, maar volgens de gevestigde theorieën van Bose-Einstein-Condensates, dit is nogal verrassend omdat we geen dissipatie hebben", zegt Jörg Schmiedmayer. "In een kwantumsysteem als het onze, die afgeschermd is van de omgeving, we zouden verwachten dat perioden van synchronisatie voor altijd worden afgewisseld met de-synchronisatie."

Op zoek naar een onbekend mechanisme

"Tijdens het de-synchroniseren van de klokken, we brengen het systeem uit evenwicht", zegt Marine Pigneur. "De meeste theorieën beschrijven tot nu toe met succes de koppeling van Bose-Einstein-condensaten in evenwicht, maar ze zijn onvoldoende om de uit evenwichtssituatie en de synchronisatie die we waarnemen te beschrijven." Het feit dat de "kwantumritmes" van de twee atoomwolken na slechts enkele milliseconden precies hetzelfde zijn, impliceert het bestaan ​​van een mechanisme dat energie dissipeert. Omdat het systeem geïsoleerd is van zijn omgeving, energie kan niet worden gedissipeerd, maar alleen worden overgedragen. "De koppeling zoals beschreven in leerboekentheorieën kan energie niet zo sterk en snel overdragen als we waarnemen. Dus ofwel deze theorieën missen iets - of ze zijn gewoon verkeerd. Het betekent dat het ons begrip van de interactie tussen de atomen zelf is die moet worden gewijzigd."

Met deze verrassende bevinding het onderzoeksteam hoopt verder onderzoek op dit gebied te stimuleren. "Ten slotte, het gedrag van veeldeeltjes-kwantumsystemen dat uit evenwicht is, is een van de grote onopgeloste problemen van de moderne natuurkunde", zegt Jörg Schmiedmayer. "Het sluit aan bij veel fundamentele vragen - van de toestand van het vroege heelal direct na de oerknal tot de vraag waarom vreemde kwantumeffecten alleen op kleine schaal kunnen worden waargenomen, terwijl grotere objecten de wetten van de klassieke natuurkunde gehoorzamen."