In een baanbrekende inspanning hebben onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck in samenwerking met de Universiteit van Durham voor het eerst Bose-Einstein-condensatie van niet-grondtoestand-cesiumatomen bereikt. Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , maakt dit onderzoek de weg vrij voor nieuwe experimenten met ultrakoude atomaire gassen en de studie van de kwantumfysica van veel deeltjes.

De wereld van atomen, die doorgaans wordt gekenmerkt door willekeurige chaos en hitte, ondergaat een opmerkelijke transformatie wanneer atomen drastisch worden afgekoeld. Bij temperaturen net boven het absolute nulpunt komen atomen in een unieke kwantumtoestand terecht die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat (BEC), waar ze zich gedragen als een enkele, samenhangende entiteit. De eerste succesvolle realisatie van een BEC vond plaats in 1995, 70 jaar na de theoretische voorspelling van Albert Einstein en Satyendra Nath Bose.

Sindsdien hebben onderzoekers zich verdiept in de bijzondere eigenschappen van deze ultrakoude gassen om de mysteries van de kwantummechanica te ontrafelen. Bovendien hebben ultrakoude atomaire gassen, bekend om hun hoge mate van beheersbaarheid, gediend als proeftuinen van onschatbare waarde voor de kwantumfysica met weinig en veel deeltjes.

Vooral Cesium heeft in dit opzicht een belangrijke rol gespeeld vanwege het rijke landschap van Feshbach-resonanties, waardoor precieze afstemming van interacties mogelijk is. Traditioneel wordt cesium gecondenseerd in zijn absolute grondtoestand. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck, in samenwerking met een theorieteam van de Universiteit van Durham, voor het eerst de condensatie van cesiumatomen bereikt in de door Zeeman aangeslagen mF=2-toestand, een niet-grondtoestandconfiguratie.

"Het bereiken van Bose-Einstein-condensatie hangt af van het handhaven van een gunstige verhouding tussen goede en slechte botsingen. Elastische botsingen spelen een cruciale rol bij het aansturen van het verdampings- en thermalisatieproces, terwijl inelastische botsingen tussen twee lichamen en recombinatie van drie lichamen de koelefficiëntie kunnen verminderen , mogelijk zelfs tot het punt dat BEC niet kan worden bereikt", legt Milena Horvath, de eerste auteur van het onderzoek, uit.

Het team identificeerde twee verschillende magnetische veldgebieden waar condensatie mogelijk is, met verwaarloosbare verliezen van twee lichamen en voldoende onderdrukte verliezen van drie lichamen. ‘Het condenseren van cesiumatomen in deze niet-grondtoestand-configuratie heeft ook enkele interessante en onverwachte verliesmechanismen van drie lichamen aan het licht gebracht’, zegt Horvath.

"De ontdekking van onverwachte verliesmechanismen van drie lichamen benadrukt de complexiteit van ultrakoude atoomsystemen en onderstreept het belang van gedetailleerde experimenten", voegt hoofdwetenschapper Hanns-Christoph Nägerl toe.

Deze nieuwste prestatie bouwt voort op twintig jaar vooruitgang sinds cesium voor het eerst werd gecondenseerd in Innsbruck in 2003, wat de voortdurende vooruitgang op dit gebied laat zien. "Deze prestatie draagt ​​bij aan de rijke geschiedenis van het kwantumonderzoek in Innsbruck", zegt Hanns-Christoph Nägerl.

"Terwijl we onze reis voortzetten, kijken we ernaar uit om ons begrip van de kwantumfysica met veel deeltjes, zoals de onzuiverheids- en polaronfysica, evenals topologische faseovergangen en kwantumgasmengsels te verdiepen."

Meer informatie: Milena Horvath et al, Bose-Einstein-condensatie van niet-grondtoestand-cesiumatomen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47760-0

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Universiteit van Innsbruck