Een kwantumgas kan met magnetische velden in knopen worden gebonden. Onze onderzoekers waren de eersten die deze knopen produceerden als onderdeel van een samenwerking tussen Aalto University en Amherst College, ONS., en ze hebben nu bestudeerd hoe de knopen zich in de loop van de tijd gedragen. Het verrassende resultaat is dat de knopen zich in korte tijd losmaken, voordat het in een draaikolk verandert.

Het onderzoek is voornamelijk uitgevoerd door Tuomas Ollikainen, een doctoraat student aan de universiteit van Aalto die zijn tijd verdeelde tussen het uitvoeren van experimenteel werk in Amherst in Massachusetts, en het analyseren van de gegevens en het ontwikkelen van zijn theorieën bij Aalto.

"We waren niet eerder in staat geweest om de dynamiek van dit soort driedimensionale structuren experimenteel te bestuderen, dus dit is de eerste stap in deze richting", zegt Ollikainen. "Het feit dat de knoop vergaat is verrassend, omdat topologische structuren zoals kwantumknopen doorgaans uitzonderlijk stabiel zijn. Het is ook opwindend voor het veld omdat onze waarneming dat een driedimensionaal kwantumdefect vervalt in een eendimensionaal defect nog niet eerder is gezien in deze kwantumgassystemen.

Kwantumgassen beheersen

De onderzoekers hopen dat hun nieuwe studie nieuwe wegen opent in experimenteel onderzoek. Een van de belangrijkste doorbraken in het onderzoek was dat we betere controle konden krijgen over de toestand van het kwantumgas, waardoor ze veranderingen in de structuur konden detecteren, zoals het verval van de knopen en de vorming van de vortex.

"Natuurlijk kun je deze dingen simuleren, maar het maken van kwantumknopen is niet zo eenvoudig. Door de omgeving beter te beheersen, kunnen we verschillende effecten onderzoeken en meer te weten komen over deze opwindende kwantumsystemen." vertelt Ollikainen.

"Toen we in 2016 kwantumknopen legden, het was de eerste realisatie van driedimensionaal kronkelende topologische structuren. Dat was alsof je voor het eerst lucht inademde op een andere planeet. Geweldig", zegt prof. Mikko Möttönen, hoofd van de Quantum Computing and Devices-groep waar Ollikainen werkt.

"Ik weet dat veel onderzoekers aandacht hebben besteed aan ons werk en inspiratie hebben opgedaan om dit uit te proberen in totaal verschillende soorten systemen. Het zou geweldig zijn om deze technologie ooit in een praktische toepassing te zien worden gebruikt, wat best kan gebeuren. Onze laatste resultaten laten zien dat, hoewel kwantumknopen in atomaire gassen opwindend zijn, je moet ze snel gebruiken voordat ze zichzelf losmaken. De eerste toepassingen zullen dus waarschijnlijk in andere systemen worden gevonden, ", zegt Mottönen.