Atomskyers uventede adfærd udfordrer eksisterende teorier

Eksperimenter med ultrakolde atomer på TU Wien har vist overraskende resultater:koblede atomskyer synkroniserer inden for millisekunder. Denne effekt kan ikke forklares med standardteorier.

Når atomer afkøles til næsten nul temperatur, deres egenskaber ændrer sig fuldstændigt. De kan blive til et Bose-Einstein-kondensat, en ultra-kold tilstand, hvor partiklerne mister deres individualitet og kun kan beskrives samlet - som et enkelt kvanteobjekt.

På TU Wien (Wien), skyer med ultrakolde atomer er blevet undersøgt i årevis. De er et perfekt modelsystem til at studere grundlæggende spørgsmål om kvantefysik med mange partikler. Nu er forskergruppen for professor Jörg Schmiedmayer (Institut for Atomisk og Subatomisk Fysik, TU Wien) har fundet bemærkelsesværdige resultater, som ikke kan forklares med nogen af ​​de eksisterende teorier. Når to ultrakolde kvantegasser er koblet, de kan synkronisere spontant, oscillerende i perfekt samklang efter bare et par millisekunder. Det betyder, at lærebogsteorier om Bose-Einstein-kondensater skal genbesøges. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Atomer i fælden

"Vi bruger en specielt designet atomchip til at afkøle atomerne og ændre deres egenskaber", siger Jörg Schmiedmayer. "Chippen kan fange hundreder eller tusinder af atomer og manipulere deres kollektive egenskaber med elektromagnetiske felter."

I starten en sky af atomer afkøles til en temperatur på kun et par nanokelvin. "Derefter, ved hjælp af atomchippen, vi skaber en barriere, adskiller skyen i to dele ", siger Marine Pigneur, første forfatter til papiret og ph.d. elev i Schmiedmayers team. "Hvis barrieren er lav nok, atomer kan stadig passere fra den ene side til den anden ved en effekt kaldet kvantetunnel. Derfor, de to atomskyer er ikke helt uafhængige, de er koblet. "

Ifølge kvantefysik, hvert objekt kan beskrives som en bølge. Bølgeegenskaberne er ikke synlige for os, fordi de genstande, vi har med hver dag at gøre, er for store og for varme. Opførsel af kolde atomer, imidlertid, er stærkt påvirket af disse bølgeegenskaber.

En af disse egenskaber er fasen, som kan forstås ved at sammenligne kvantebølgen med et tikkende ur:"Forestil dig to identiske pendulure", siger Jörg Schmiedmayer. "De kan være perfekt synkroniseret, så de to pendler begge når deres laveste punkt på nøjagtig samme tid, men typisk, deres bevægelse er lidt ude af synkronisering. I det tilfælde, vi taler om en faseforskel mellem de to pendler. "

Når de to atomskyer er skabt, de starter uden faseforskel - de er perfekt synkroniseret. Men ved hjælp af atomchippen, de kan de-synkroniseres. Kvantefaseforskellen mellem de to atomskyer (i hvilket omfang de er ude af synkronisering) kan styres med stor præcision. Bagefter, de to skyer overvåges nøje for at se, om denne faseforskel ændrer sig over tid.

Hvis to klassiske pendler er forbundet med et gummibånd, båndet vil sprede noget af energien, og de to pendler synkroniseres. Noget lignende sker med de to atomskyer:hvis de er koblet, de synkroniserer automatisk, på en bemærkelsesværdig kort tid. "Det lyder normalt, når vi tænker på pendulure, men ifølge de veletablerede teorier om Bose-Einstein-kondensater, dette er ganske overraskende, fordi vi ikke har spredning ", siger Jörg Schmiedmayer. "I et kvantesystem som vores, som er beskyttet mod miljøet, vi ville forvente perioder med synkronisering skiftevis med de-synkronisering for altid. "

Leder du efter en ukendt mekanisme

"I processen med at de-synkronisere urene, vi bringer systemet ud af ligevægt ", siger Marine Pigneur. "De fleste teorier har hidtil med succes beskrevet koblingen af ​​Bose-Einstein-kondensater i ligevægt, men de er utilstrækkelige til at beskrive situationen uden for ligevægten og den synkronisering, vi observerer. "Det faktum, at" kvanterytmerne "i de to atomskyer er nøjagtig de samme efter kun få millisekunder indebærer eksistensen af ​​en mekanisme, der spreder energi. Da systemet er isoleret fra sit miljø, energi kan ikke spredes, men kun overføres. "Koblingen som beskrevet i lærebogsteorier kan ikke overføre energi så stærkt og hurtigt, som vi observerer. Så enten mangler disse teorier noget - eller de er bare forkerte. Det betyder, at det er vores forståelse af interaktionen mellem atomerne i sig selv, der skal være ændret. "

Med dette overraskende fund, forskergruppen håber at stimulere yderligere forskning på dette område. "Trods alt, adfærden i mange kropskvantsystemer ude af ligevægt er et af de store uløste problemer i moderne fysik ", siger Jörg Schmiedmayer. "Det forbinder mange grundlæggende spørgsmål - fra tilstanden i det tidlige univers lige efter big bang til spørgsmålet om, hvorfor mærkelige kvanteeffekter kun kan observeres i en lille skala, hvorimod større objekter adlyder lovene i klassisk fysik. "