Forskere opnår den første kondensering af ikke-jordiske cæsiumatomer

I en banebrydende indsats har forskere fra University of Innsbruck i samarbejde med University of Durham for første gang opnået Bose-Einstein-kondensering af ikke-jordiske cæsiumatomer. Udgivet i Nature Communications , denne forskning baner vejen for nye eksperimenter med ultrakolde atomare gasser og studiet af mange-legemes kvantefysik.

Atomernes verden, typisk karakteriseret ved tilfældigt kaos og varme, gennemgår en bemærkelsesværdig transformation, når atomer afkøles drastisk. Ved temperaturer lige over det absolutte nulpunkt går atomer ind i en unik kvantetilstand kendt som et Bose-Einstein-kondensat (BEC), hvor de opfører sig som en enkelt, sammenhængende enhed. Den første succesfulde realisering af en BEC var i 1995, 70 år efter den teoretiske forudsigelse af Albert Einstein og Satyendra Nath Bose.

Siden da har forskere dykket ned i disse ultrakolde gassers særlige egenskaber for at opklare kvantemekanikkens mysterier. Desuden har ultrakolde atomare gasser, kendt for deres høje grad af kontrollerbarhed, tjent som uvurderlige testlejer for få- og mangekroppes kvantefysik.

Især cæsium har været medvirkende i denne henseende på grund af dets rige landskab af Feshbach-resonanser, hvilket muliggør præcis tuning af interaktioner. Traditionelt er cæsium blevet kondenseret i sin absolutte grundtilstand. Nu har forskere fra University of Innsbruck, i samarbejde med et teorihold fra University of Durham, for første gang opnået kondenseringen af ​​cæsiumatomer i Zeeman-exciterede mF=2-tilstand, en ikke-grundtilstandskonfiguration.

"Opnåelsen af ​​Bose-Einstein kondens afhænger af opretholdelsen af ​​et gunstigt forhold mellem gode og dårlige kollisioner. Elastiske kollisioner spiller en afgørende rolle i at drive fordampnings- og termaliseringsprocessen, mens to-legeme uelastiske kollisioner og tre-legeme rekombination kan mindske køleeffektiviteten , muligvis til det punkt, at BEC ikke kan nås," forklarer Milena Horvath, undersøgelsens første forfatter.

Holdet identificerede to særskilte magnetfeltområder, hvor kondensering er mulig, med ubetydelige to-kropstab og tilstrækkeligt undertrykte tre-kropstab. "Kondensering af cæsiumatomer i denne ikke-grundtilstandskonfiguration har også afsløret nogle interessante og uventede tabsmekanismer for tre krop," siger Horvath.

"Opdagelsen af ​​uventede tabsmekanismer for tre krop fremhæver forviklingerne ved ultrakolde atomsystemer og understreger vigtigheden af ​​detaljerede eksperimenter," tilføjer ledende videnskabsmand Hanns-Christoph Nägerl.

Denne seneste præstation bygger på to årtiers fremskridt, siden cæsium først blev kondenseret i Innsbruck i 2003, hvilket viser de igangværende fremskridt på området. "Denne bedrift føjer til den rige historie af kvanteforskning i Innsbruck," siger Hanns-Christoph Nägerl.

"Når vi fortsætter vores rejse, ser vi frem til at uddybe vores forståelse af mange-legemes kvantefysik, såsom urenheds- og polaronfysik, såvel som topologiske faseovergange og kvante-gasblandinger."

Flere oplysninger: Milena Horvath et al., Bose-Einstein-kondensering af ikke-grundtilstands-cæsiumatomer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47760-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Innsbruck