Een nieuwe theoretische studie aan de Monash University heeft ons begrip van het samenspel tussen kwantum- en thermische fluctuaties (of excitaties) in kwantummaterie verbeterd.

Uit de studie bleek dat een onzuiverheid in een Bose-Einstein-condensaat (BEC) een intrigerend energiespectrum vertoont als de temperatuur boven nul kelvin stijgt, waarbij het quasi-deeltje in de grondtoestand zich splitst in een aantal takken die afhankelijk zijn van de interacties met de thermische wolk rond de BEC.

"De modellering toonde aan dat het aantal quasideeltjesvertakkingen eenvoudig wordt bepaald door het aantal gatenexcitaties van de thermische wolk, " legt hoofdauteur uit, Bernard Veld.

"Dat is, inclusief maximaal één hole levert één split op, twee gaten levert twee splitsingen op, enzovoort, " zegt Bernard, die een PhD-student is binnen de School of Physics and Astronomy aan de Monash University.

Koude atomaire gassen als 'perfect testbed'

Koude atomaire gassen worden gebruikt om de effecten te bestuderen van onzuiverheden gekoppeld aan een kwantummedium - een scenario dat relevant is voor alles, van veldeffecttransistors tot het gedrag van protonen in neutronensterren.

Koude atomaire gassen zorgen voor een bijzonder schoon en flexibel systeem om het gedrag van kwantumonzuiverheden te onderzoeken, waardoor interacties tussen onzuiverheid en medium kunnen worden gevarieerd van zwakke tot sterke koppeling en de manier wordt onthuld waarop de onzuiverheid wordt 'aangekleed' door excitaties van het medium.

specifiek, de nieuwe studie richt zich op onzuiverheden in een BEC, een Bose-polaron genoemd.

Eerdere studies hadden voorspeld dat het energiespectrum van een Bose-polaron zich zou splitsen in twee even takken bij elke temperatuurstijging boven nul kelvin.

Uit de Monash-studie bleek dat dit resultaat het gevolg is van de aanname dat het medium slechts een enkele deeltje-gat-excitatie heeft. Wanneer er meer gaten zijn opgenomen, het resultaat is meer splitsing.

"Omdat er een groot aantal excitaties in een echt systeem kan zijn, we verwachten dat de werkelijke Bose-polaron bij lage temperaturen zal verschijnen als een enkele brede piek, " legt A/Prof Meera Parish uit.

"Echter, opmerkelijk genoeg vinden we dat het gedrag fundamenteel verschilt van wat men zou verwachten van standaardtheorieën over kwantumfluctuaties en kwantumfase-overgangen."

De onderzoekers maken gebruik van een elegante variatiebenadering die multibody-correlaties tussen de onzuiverheid en de BEC omvat, dus verder gaan dan de huidige stand van de techniek in het veld. Met name, hun theoretische resultaat voor de grondtoestandsenergie van het Bose-polaron komt uitstekend overeen met meer numeriek intensieve kwantummodellering en met experimenten.

Het lot van de Bose-polaron bij eindige temperatuur werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling A in januari 2020