Kvantificering af virkningerne af tre-partikel kollisioner i kvantegasser

Kvantegasser bestående af atomer er yderst velegnede til at observere kvantemekaniske fænomener og lave nye typer kvantestof. I sin ph.d. forskning Mestrom var i stand til at kvantificere virkningerne af tre-partikel kollisioner i disse ultrakolde gasser. Med en ny numerisk metode var han i stand til at karakterisere og forudsige visse virkninger af disse kollisioner. Han forsvarede sin ph.d. den 27. september på Institut for Anvendt Fysik.

En kvantegas kan skabes ud fra en atomgas ved at afkøle atomerne til temperaturer under en mikrokelvin. Dette er meget tæt på det absolutte nulpunkt og svarer til omkring -273 grader Celsius. Tætheden af ​​disse atomare kvantegasser er ekstremt lav, mange tusinde gange lavere end tætheden af ​​luften omkring os.

Interaktionsstyrke

Ud over, de er meget små med en typisk diameter på et hårs bredde. Egenskaberne af disse ultrakolde kvantegasser afhænger af interaktionerne mellem de partikler, der kolliderer med hinanden. På grund af den ekstremt lave tæthed, kollisioner mellem to partikler forekommer meget oftere end kollisioner mellem tre eller flere partikler. Alligevel, tre-partikel kollisioner har stor indflydelse på stabiliteten af ​​ultrakolde kvantegasser.

Ved at bruge kvantemekanikkens love kunne Mestrom udlede en interaktionsstyrke, der kan bruges til at kvantificere virkningerne af disse tre-partikelkollisioner. Han udviklede en numerisk metode, der gjorde det muligt for ham at beregne denne interaktionsstyrke for forskellige typer af tre-partikelsystemer og studere både elastiske og uelastiske kollisioner mellem tre partikler.

Gas til væske

Først, han undersøgte kollisioner mellem tre identiske partikler. Når vekselvirkningen mellem to partikler er lige stærk nok til at danne et molekyle uden orbital vinkelmomentum (et såkaldt s-bølge molekyle), tre partikler kan danne uendeligt mange typer molekyler. Mestrom analyserede, hvordan den universelle skalering af størrelsen af ​​disse molekyler - kendt som Efimov-effekten - er påvirket af modellerne, der beskriver to-partikel-interaktionerne.

Ud over, effekten af ​​elastiske tre-partikel-kollisioner på ultrakolde kvantegasser øges, når to-partikel interaktionsstyrken er ekstremt lav. Mestrom viste, at vekselvirkningsstyrken mellem tre atomer opfører sig universelt. I øvrigt, denne interaktionsstyrke har en frastødende effekt på kvantegassen. Denne frastødende kraft kan endda stabilisere en ustabil kvantegas til en kvantevæske.

Spin

Forstærkede effekter af elastiske tre-partikel kollisioner forekommer også i ultrakolde gasblandinger. Dette sker, for eksempel, når to ikke-identiske partikler kan danne et svagt bundet molekyle med en positiv orbital vinkelmomentum (et såkaldt p-bølge molekyle). Tre-partikel interaktionsstyrken opfører sig derefter universelt.

Desuden, kvantemekaniske partikler kan have et iboende vinkelmomentum. Dette er kendt som spin. Man kan skabe ultrakolde kvantegasser, hvor partiklerne har frihed til at ændre deres spin-tilstand. Denne ændring kan ske via kollisioner med andre partikler.

I sit speciale, Mestrom undersøgte bidraget fra tre-partikelkollisioner til spindynamikken. På denne måde har han bestemt effekten af ​​tre-partikelkollisioner på de magnetiske egenskaber af atomare kvantegasser. I øvrigt, han har forudsagt, hvordan denne effekt kan forstærkes ved hjælp af elektromagnetisk stråling og magnetiske felter.