Kwantumgassen bestaande uit atomen zijn uitermate geschikt voor het waarnemen van kwantummechanische verschijnselen en het maken van nieuwe soorten kwantummaterie. In zijn Ph.D. onderzoek Mestrom kon de effecten van botsingen tussen drie deeltjes in die ultrakoude gassen kwantificeren. Met een nieuwe numerieke methode kon hij bepaalde effecten van deze botsingen karakteriseren en voorspellen. Hij verdedigde zijn Ph.D. op 27 september bij de faculteit Technische Natuurkunde.

Uit een atomair gas kan een kwantumgas worden gemaakt door de atomen af ​​te koelen tot temperaturen onder één microkelvin. Dit is zeer dicht bij het absolute nulpunt en komt overeen met ongeveer -273 graden Celsius. De dichtheid van deze atomaire kwantumgassen is extreem laag, vele duizenden malen lager dan de dichtheid van de lucht om ons heen.

Interactiesterkte

In aanvulling, ze zijn erg klein met een typische diameter van een haarbreedte. De eigenschappen van deze ultrakoude kwantumgassen zijn afhankelijk van de interacties tussen de deeltjes die met elkaar botsen. Door de extreem lage dichtheid botsingen tussen twee deeltjes komen veel vaker voor dan botsingen tussen drie of meer deeltjes. Hoe dan ook, botsingen van drie deeltjes hebben een grote impact op de stabiliteit van ultrakoude kwantumgassen.

Met behulp van de wetten van de kwantummechanica zou Mestrom een ​​interactiesterkte kunnen afleiden die kan worden gebruikt om de effecten van die botsingen van drie deeltjes te kwantificeren. Hij ontwikkelde een numerieke methode waarmee hij deze interactiesterkte voor verschillende soorten systemen met drie deeltjes kon berekenen en zowel elastische als inelastische botsingen tussen drie deeltjes kon bestuderen.

Gas in vloeistof

Eerst, hij onderzocht botsingen tussen drie identieke deeltjes. Wanneer de interactie tussen twee deeltjes net sterk genoeg is om een ​​molecuul te vormen zonder baanimpulsmoment (een zogenaamd s-golfmolecuul), drie deeltjes kunnen oneindig veel soorten moleculen vormen. Mestrom analyseerde hoe de universele schaling van de grootte van deze moleculen - bekend als het Efimov-effect - wordt beïnvloed door de modellen die de interacties tussen twee deeltjes beschrijven.

In aanvulling, het effect van elastische botsingen van drie deeltjes op ultrakoude kwantumgassen wordt vergroot wanneer de interactiesterkte van twee deeltjes extreem laag is. Mestrom toonde aan dat de interactiesterkte tussen drie atomen zich dan universeel gedraagt. Bovendien, deze interactiesterkte heeft een afstotend effect op het kwantumgas. Deze afstotende kracht kan zelfs een onstabiel kwantumgas stabiliseren tot een kwantumvloeistof.

Draaien

Verbeterde effecten van elastische botsingen van drie deeltjes treden ook op in ultrakoude gasvormige mengsels. Dit gebeurt, bijvoorbeeld, wanneer twee niet-identieke deeltjes een zwak gebonden molecuul kunnen vormen met een positief baanimpulsmoment (een zogenaamd p-golfmolecuul). De interactiesterkte van drie deeltjes gedraagt ​​zich dan universeel.

Verder, kwantummechanische deeltjes kunnen een intrinsiek impulsmoment hebben. Dit staat bekend als spin. Men kan ultrakoude kwantumgassen creëren waarin de deeltjes de vrijheid hebben om hun spintoestand te veranderen. Deze verandering kan plaatsvinden via botsingen met andere deeltjes.

In zijn proefschrift, Mestrom onderzocht de bijdrage van botsingen tussen drie deeltjes aan de spindynamiek. Zo heeft hij het effect van driedeeltjesbotsingen op de magnetische eigenschappen van atomaire kwantumgassen bepaald. Bovendien, hij heeft voorspeld hoe dit effect kan worden versterkt met behulp van elektromagnetische straling en magnetische velden.