Silvia Musolino verdedigde haar Ph.D. op nieuwe theoretische inzichten in de kwantumfysica door gassen te bestuderen bij de laagste temperaturen bestaande uit veel atomen.

Een praktische manier om kwantummechanica te bestuderen, wordt geboden door gassen met een extreem lage dichtheid en uit veel atomen, vaak meer dan honderdduizend, afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Silvia Musolino bestudeerde verschillende soorten interacties tussen deze atomen, nieuwe wegen bieden voor toekomstig onderzoek naar nieuwe technologieën zoals kwantumcomputers.

Kwantummechanische wetten beheersen de fysica op atomaire schaal en onderscheiden zich door klassieke mechanica, die zich voornamelijk bezighoudt met natuurlijke fenomenen die we kunnen zien, horen, of aanraken. Echter, zelfs de kwantummechanica beïnvloedt ons dagelijks leven. transistoren, die cruciale onderdelen zijn van elektronische apparaten, zijn gebaseerd op kwantummechanische effecten. Bovendien, kwantummechanica maakt de weg vrij voor nieuwe technologieën die ons leven sterk kunnen beïnvloeden, zoals kwantumcomputers.

Atomen die allemaal samen bewegen

In gassen met een extreem lage dichtheid, veel lager dan de luchtdichtheid, atomen kunnen elkaar nauwelijks zien. Het gedrag van deze systemen hangt slechts af van enkele parameters, bijvoorbeeld dichtheid en temperatuur. Dit maakt het mogelijk om zeer algemene theoretische modellen te construeren die veel en zeer verschillende systemen kunnen beschrijven.

In de kwantummechanica gedragen atomen zich als golven met een karakteristieke lengteschaal, de thermische golflengte genoemd. Bij lage temperaturen, deze schaal wordt groter dan de afstand tussen twee atomen, en dus kunnen de golven die bij de atomen horen bij elkaar worden opgeteld, wat leidt tot collectieve verschijnselen, zoals Bose-Einstein condensatie.

Wanneer atomen Bose-Einstein-condensatie ondergaan, ze beginnen allemaal samen in dezelfde richting te bewegen en, ook al zijn het er veel, ze gedragen zich als één enkele entiteit. Tijdens haar afstudeerproject Musolino analyseerde dit fenomeen met behulp van de one-body correlatiefunctie, die de onderlinge verbinding van de atomen in het Bose-Einstein-condensaat kwantificeert.

Vorming van composieten

Verder, ze bestudeerde andere soorten correlaties, rekening houdend met interacties tussen atomen. Interacties worden gekenmerkt door een parameter die de verstrooiingslengte wordt genoemd, die kan worden geïnterpreteerd als de afstand tot het atoom waarin de interacties effectief werken. Door sterke interacties is de verstrooiingslengte veel groter dan de afstand tussen de atomen. Vooral, Musolino beschouwde sterke interacties veroorzaakt door een snelle verandering van de verstrooiingslengte in de tijd; dit maakt de correlaties afhankelijk van de tijd en drijft het systeem uit evenwicht.

Een atoom is een boson als het aantal neutronen in de kern even is, anders is het een fermion. Bosonische atomen blijven graag bij elkaar, wat betekent dat ze dezelfde staat kunnen bezetten; in plaats daarvan, fermionen zijn 'minder sociaal' en twee fermionen kunnen alleen dezelfde toestand bezetten als ze twee verschillende spins hebben, wat een intrinsieke eigenschap van het deeltje is.

Aangezien de vorming van composieten afhankelijk is van het type atomen, Musolino ontwikkelde een algemeen theoretisch raamwerk dat in staat is om de dynamiek van correlaties van een paar lichamen in een systeem van veel atomen te volgen en paste deze methode toe op bosonische en fermionische gassen.

Bij dit model is ze omvatte ook experimentele functies, zoals de aanwezigheid van een containerval, waardoor de atomen niet helemaal vrij kunnen bewegen, en maakte talloze vergelijkingen met bestaande experimentele gegevens - een belangrijke bevinding. Binnen haar theorie ze liet zien hoe de aanwezigheid van composieten de dynamiek van het hele veellichamensysteem verandert en nieuwe wegen biedt voor toekomstig onderzoek.