Bose-Einstein-condensaten vormen een ideaal platform om dynamische verschijnselen te onderzoeken die zich voordoen in de veeldeeltjesgrens. Een wolk van individuele atomen in deze toestand gedraagt zich collectief als één enkele vloeistof. Deze kwantumvloeistof kan zonder weerstand stromen – het is supervloeibaar.
In ultrakoude atoomwolken kunnen twee supervloeistoffen tegelijkertijd bestaan. Tot nu toe kon hun coëxistentie niet experimenteel worden waargenomen. Nu komen natuurkundigen echter uit Universiteit van Heidelberg hebben een dergelijke magnetische kwantumvloeistof – het is op twee manieren vloeibaar – gedemonstreerd in een atomair gas.
Markus Oberthaler, onderzoeker van het Kirchhoff Institute for Physics, legt uit: “De afgelopen decennia zijn atomaire Bose-Einstein-condensaten ontstaan uit zeer verschillende soorten atomen zoals natrium en rubidium, maar recentelijk ook uit meer ‘exotische’ atomen zoals erbium en dysprosium.”
“De meeste van deze atomen vertonen ook interne vrijheidsgraden: ze hebben een spin en gedragen zich als kleine magneten. Hierdoor kan in principe ook het fenomeen van ontstaan Bose-Einstein-condensatie, maar dit is nog niet experimenteel waargenomen. Deze demonstratie is nu mogelijk met een ultrakoude wolk van rubidiumatomen.”
De methode die verdampingskoeling wordt genoemd, wordt meestal gebruikt om een Bose-Einstein-condensaat te bereiden. Dit werk is vergelijkbaar met het afkoelen van koffie in een kopje door erop te blazen.
De snelste atomen aan het oppervlak van de koffie worden weggeblazen en men wacht tot de overige atomen op een lagere temperatuur tot rust komen. Dit is buitengewoon moeilijk voor een spin, dus kozen natuurkundigen uit Heidelberg voor een andere methode.
Dr. Maximilian Prüfer zei: “We hebben het systeem geïnitialiseerd ver van evenwicht en gewacht tot de rubidiumatomen een nieuwe evenwichtstoestand bereikten. Wat aanvankelijk minder intuïtief leek, bleek uiterst efficiënt.”
De wetenschappers gebruikten specifieke detectie- en verstoringstechnieken die speciaal waren ontwikkeld voor het creëren en traceren van deze staat. Ze merkten dat de spin ook supervloeiend werd, samen met de bewegingsvrijheid. Er zijn dus twee manieren waarop magnetische kwantumvloeistoffen buitengewoon vloeibaar kunnen worden.
Markus Oberthaler, hoofd van de onderzoeksgroep “Synthetic Quantum Systems”, die ook deel uitmaakt van het STRUCTURES Cluster of Excellence van de Universiteit van Heidelberg, zei, “Onze nieuwe onderzoeksmethoden stellen ons niet alleen in staat het condensaat te karakteriseren, maar zullen ons ook in staat stellen het pad van niet-evenwicht naar die toestand beter te begrijpen.”
Journal Reference:
- Prüfer, M., Spitz, D., Lannig, S. et al. Condensatie en thermalisatie van een easy-plane ferromagneet in een spinor Bose-gas. nat. Fysio. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01779-6
