ENGINEERINGNET.BE - Ultrakoude gassen van ongeladen atomen worden routinematig geprepareerd bij temperaturen lager dan 100 nanokelvin (minder dan een tienmiljoenste graad boven het absolute nulpunt van temperatuur) in laboratoria over de hele wereld.
En ionen zijn met behulp van de laserkoeling-techniek ook af te koelen tot aan een bewegingstoestand met de laagst mogelijke energie. Maar de afgelopen tien jaar is het maken van een quantummengsel van atomen en ionen onbereikbaar gebleven.
Natuurkundige Thomas Feldker en zijn collega’s van de UvA hebben nu een atoom-ionmengsel ontwikkeld bij een temperatuur die zo laag is dat het systeem niet meer met de klassieke natuurwetten is te beschrijven.
In het experiment dompelden de onderzoekers een enkel gevangen ion onder in een wolk van zo’n tienduizend atomen met een temperatuur van een paar microkelvin. Met behulp van technieken die ontwikkeld werden voor gevangen ionen in quantumcomputers konden ze de bewegingsenergie van het ion in de gaten houden terwijl het werd afgekoeld door het bad van atomen.
Maar door de oscillerende elektrische velden die het ion op zijn plaats gevangen houden, kan er juist warmte ontstaan als het ion met een atoom botst. Vanwege dit effect was het tot nu toe niet mogelijk om een mengsel van atomen en ionen in het quantum-temperatuurregime te maken.
In het experiment in Amsterdam is daarom een enkel ytterbium-ion ondergedompeld in een wolk van lithium-atomen. Deze combinatie heeft, van alle atoom- en ionsoorten die goed met lasers te manipuleren zijn, de grootste verhouding tussen de massa’s.
De onderzoekers maten de bewegingsenergie van de atomen en het ion in alle bewegingsrichtingen en concludeerden dat de botsingsenergie tussen de atomen en het ion de zogeheten s-wave-limiet bereikt. In dit regime is de quantumtheorie noodzakelijk om de botsing te kunnen beschrijven.
Als ‘smoking gun’ presenteren de auteurs metingen aan botsingen tussen de atomen en het ion waarin ion en atoom wisselen van ‘spintoestand’, een quantummechanische eigenschap die verband houdt met de rotatie van de deeltjes.
Door hun meetgegevens te fitten met theoretische voorspellingen, ontwikkeld in de groep van dr. Tomza in Warschau, berekenen de auteurs de verstrooiingslengtes – parameters die de quantumverstrooiing volledig bepalen.
De resultaten effenen de weg naar nieuwe mogelijkheden, zoals het onderzoek van kort-bestaande configuraties van atomen en ionen die bekend staan als magneto-moleculaire resonanties. Deze zogeheten Feschbach-resonanties zijn het werkpaard van de quantumsimulatoren die uit alleen atomen bestaan, maar zijn nog nooit waargenomen tussen atomen en ionen, aangezien de benodigde temperaturen buiten bereik waren.
Het nu gemaakte mengsel van atomen en ionen zou daarom als nieuw platform kunnen dienen voor quantumsimulaties van veeldeltjesverschijnselen zoals het natuurkundige gedrag van geladen oneffenheden die wisselwerken met een quantumvloeistof.
Een verdere interessante mogelijkheid is het gebruik van een wolk van koude atomen om een quantumcomputer die gebruik maakt van koude ionen doorlopend te koelen.
