Optrævling af kvanteinteraktioner på 100, 000 atomer i gasser

Silvia Musolino forsvarede sin ph.d. på ny teoretisk indsigt i kvantefysik ved at studere gasser ved de laveste temperaturer bestående af mange atomer.

En praktisk måde at studere kvantemekanik på er tilvejebragt af gasser, der har ekstrem lav massefylde og består af mange atomer, ofte mere end hundrede tusinde, køles ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Silvia Musolino studerede forskellige typer af interaktioner mellem disse atomer, give nye veje til fremtidig forskning i nye teknologier såsom kvantecomputere.

Kvantemekaniske love styrer fysikken på atomær skala og er kendetegnet ved klassisk mekanik, som hovedsageligt beskæftiger sig med naturfænomener, vi kan se, høre, eller røre ved. Imidlertid, selv kvantemekanik påvirker vores daglige liv. Transistorer, som er afgørende komponenter i elektroniske enheder, er baseret på kvantemekaniske effekter. I øvrigt, kvantemekanik baner vejen for nye teknologier, der kan påvirke vores liv kraftigt, såsom kvantecomputere.

Atomer bevæger sig alle sammen

I gasser med ekstrem lav massefylde, meget lavere end lufttætheden, atomer kan næsten ikke se hinanden. Disse systemers adfærd afhænger kun af nogle få parametre, for eksempel densitet og temperatur. Dette gør det muligt at konstruere meget generelle teoretiske modeller, der kan beskrive mange og meget forskellige systemer.

I kvantemekanikken opfører atomer sig som bølger med en karakteristisk længdeskala, kaldet den termiske bølgelængde. Ved lave temperaturer, denne skala bliver større end afstanden mellem to atomer, og så bølgerne forbundet med atomerne kan summeres sammen, hvilket fører til kollektive fænomener, som Bose-Einstein kondens.

Når atomer gennemgår Bose-Einstein kondensation, de begynder at bevæge sig alle sammen i samme retning, og selvom de er mange, de opfører sig som én enkelt enhed. I løbet af sit specialeprojekt Musolino analyserede dette fænomen ved hjælp af en-krops-korrelationsfunktionen, som kvantificerer den indbyrdes forbindelse af atomerne inde i Bose-Einstein-kondensatet.

Dannelse af kompositter

Desuden, hun undersøgte andre typer korrelationer i betragtning af interaktioner mellem atomer. Interaktioner er karakteriseret ved en parameter kaldet spredningslængden, hvilket kan tolkes som afstanden fra atomet, hvori interaktionerne effektivt virker. Stærke interaktioner betyder, at spredningslængden er meget større end afstanden mellem atomerne. I særdeleshed, Musolino betragtede stærke interaktioner induceret af en hurtig ændring af spredningslængden i tid; dette gør korrelationerne afhængige af tid og driver systemet ud af ligevægt.

Et atom er en boson, hvis antallet af neutroner i kernen er lige, ellers er det en fermion. Bosoniske atomer kan lide at blive sammen, hvilket betyder, at de kan indtage den samme stat; i stedet, fermioner er 'mindre sociale', og to fermioner kan kun indtage den samme tilstand, hvis de har to forskellige spins, som er en iboende egenskab ved partiklen.

Da dannelsen af ​​kompositter afhænger af typen af ​​atomer, Musolino udviklede en generel teoretisk ramme, der var i stand til at spore dynamikken i få-legeme-korrelationer i et system lavet af mange atomer og anvendte denne metode til bosoniske og fermioniske gasser.

I denne model, hun inkluderede også eksperimentelle funktioner, som tilstedeværelsen af ​​en containerfælde, hvilket gør, at atomerne ikke er helt frie til at bevæge sig, og lavede adskillige sammenligninger med eksisterende eksperimentelle data - et vigtigt fund. Inden for hendes teori, hun viste, hvordan tilstedeværelsen af ​​kompositter ændrer dynamikken i hele mangekroppssystemet og giver nye veje til fremtidig forskning.