Natuurkundigen ontdekken dat wolken van ultrakoude atomen ‘kwantumtornado’s’ kunnen vormen

Natuurkundigen van het MIT zijn erin geslaagd om “kwantumtornado’s” te laten vormen in wolken van ultrakoude atomen, volgens een recente krant gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Dit is de eerste directe ter plaatse Documentatie van hoe een snel roterend kwantumgas evolueert, en volgens de auteurs lijkt het proces op hoe de rotatie-effecten van de aarde grootschalige weerpatronen kunnen veroorzaken.

De MIT-wetenschappers waren geïnteresseerd in het bestuderen van zogenaamde kwantumzaalvloeistoffen. Quantum Hall-vloeistoffen werden voor het eerst ontdekt in de jaren tachtig en bestaan ​​uit wolken van elektronen die in magnetische velden zweven. In een klassiek systeem zouden de elektronen elkaar afstoten en een kristal vormen. Maar in quantum Hall-vloeistoffen bootsen de elektronen het gedrag van hun buren na – een bewijs van kwantumcorrelatie.

“Mensen ontdekten allerlei verbazingwekkende eigenschappen, en de reden was dat elektronen in een magnetisch veld (klassiek) op hun plaats worden bevroren – al hun kinetische energie is uitgeschakeld en wat overblijft zijn pure interacties,” zei co-auteur Richard Fletcher, een natuurkundige aan het MIT. “Dus, deze hele wereld ontstond. Maar het was buitengewoon moeilijk om te observeren en te begrijpen.”

Dus Fletcher en zijn co-auteurs dachten dat ze dit ongebruikelijke gedrag van elektronen zouden kunnen simuleren met behulp van wolken van ultrakoude kwantumgassen. Bekend als Bose-Einstein condensaten (BEC’s), deze gassen zijn genoemd ter ere van Albert Einstein en de Indiase natuurkundige Satyendra Bose. In de jaren twintig voorspelden Bose en Einstein de mogelijkheid dat de golfachtige aard van atomen de atomen zou kunnen verspreiden en overlappen als ze dicht genoeg bij elkaar zijn gepakt.

Bij normale temperaturen gedragen atomen zich als biljartballen en stuiteren op elkaar. Het verlagen van de temperatuur vermindert hun snelheid. Als de temperatuur laag genoeg wordt (miljardste graad boven het absolute nulpunt) en de atomen dicht genoeg op elkaar zijn gepakt, zullen de verschillende materiegolven elkaar kunnen ‘voelen’ en zichzelf coördineren alsof ze één groot ‘superatoom’ zijn.

De eerste BEC’s waren: gemaakt in 1995, en binnen een paar jaar hadden meer dan drie dozijn teams het experiment herhaald. De Nobelprijswinnende ontdekking lanceerde een geheel nieuwe tak van de natuurkunde. BEC’s wetenschappers in staat stellen om de vreemde, kleine wereld van de kwantumfysica te bestuderen alsof ze er door een vergrootglas naar kijken, omdat een BEC atomen “versterkt” op dezelfde manier als lasers fotonen versterken.

Ultrakoude atomaire gassen zijn goed in het simuleren van elektronen in vaste stoffen, maar ze hebben geen lading. Die neutraliteit kan het simuleren van fenomenen zoals het kwantum Hall-effect een uitdaging maken. Een draai geven aan zo’n neutraal systeem is een manier om dit obstakel te overwinnen.

“We dachten, laten we ervoor zorgen dat deze koude atomen zich gedragen alsof ze elektronen in een magnetisch veld zijn, maar dat we ze precies kunnen controleren,” zei co-auteur Martin Zwierlein, ook een natuurkundige aan het MIT. “Dan kunnen we visualiseren wat individuele atomen aan het doen zijn en kijken of ze dezelfde kwantummechanische fysica gehoorzamen.”

Met behulp van een laserval koelden de MIT-wetenschappers ongeveer 1 miljoen natriumgasatomen; de afgekoelde atomen werden op hun plaats gehouden door een magnetisch veld. De tweede stap is verdampingskoeling, waarbij een web van magnetische velden samenspant om de heetste atomen eruit te schoppen, zodat de koelere atomen dichter bij elkaar kunnen komen. Het proces werkt op vrijwel dezelfde manier als verdampingskoeling plaatsvindt bij een kop hete koffie: de hetere atomen stijgen naar de bovenkant van de magnetische val en “springen eruit” als stoom.

Diezelfde magnetische velden kunnen ook de atomen in de val doen ronddraaien met ongeveer 100 omwentelingen per seconde. Die beweging werd vastgelegd op een CCD-camera, dankzij de manier waarop natriumatomen fluoresceren als reactie op laserlicht. De atomen werpen een schaduw die vervolgens kan worden waargenomen met behulp van een techniek die absorptiebeeldvorming wordt genoemd.

Binnen 100 milliseconden draaiden de atomen tot een lange, dunne structuur die op een naald leek. In tegenstelling tot een klassieke vloeistof (zoals sigarettenrook), die alleen maar dunner wordt, heeft een kwantumvloeistof een limiet aan hoe dun hij kan worden. De MIT-onderzoekers ontdekten dat de naaldachtige structuren die zich in hun ultrakoude gassen vormden, die grens van dunheid bereikten. De onderzoekers beschreven hun ronddraaiende kwantumgas en gerelateerde bevindingen vorig jaar in de wetenschap.

Dit nieuwste artikel brengt het MIT-experiment nog een stap verder door te onderzoeken hoe de naaldachtige vloeistof zou kunnen evolueren onder omstandigheden van pure rotatie en atomaire interacties. Het resultaat: er ontstond een kwantumonzekerheid, waardoor de vloeistofnaald zwaaide en vervolgens de kurkentrekker begon te draaien. Uiteindelijk kristalliseerde de vloeistof uit tot een reeks roterende klodders die op tornado’s leken – een kwantumkristal dat volledig werd gevormd door atomaire interacties in het draaiende gas. De evolutie is opvallend vergelijkbaar met formaties genaamd Kelvin-Helmholtz wolkenwaarbij een homogene wolk opeenvolgende vingers begint te vormen als gevolg van een snelheidsverschil (snelheid en richting) tussen twee windstromen in de atmosfeer.

“Deze evolutie sluit aan bij het idee hoe een vlinder in China hier een storm kan veroorzaken, door instabiliteiten die turbulentie veroorzaken”, zei Zwierlein. “Hier hebben we kwantumweer: de vloeistof, alleen al door zijn kwantuminstabiliteiten, fragmenten in deze kristallijne structuur van kleinere wolken en vortices. En het is een doorbraak om deze kwantumeffecten direct te kunnen zien.”

Blijkbaar was dit gedrag al voorspeld in een eerdere krant door andere natuurkundigen, die het MIT-team nog maar net ontdekte. En er zijn enkele potentiële praktische toepassingen voor dit onderzoek, met name als zeer gevoelige rotatiesensoren voor onderzeese navigatie. onderzeeërs bouwen op Aan glasvezelgyroscopen om rotatiebewegingen te detecteren wanneer ze onder water zijn, wat een veelbetekenend interferentiepatroon oplevert. Atomen bewegen langzamer dan licht, dus een quantum-tornadosensor zou veel gevoeliger zijn – mogelijk zelfs gevoelig genoeg om kleine veranderingen in de rotatie van de aarde te meten.

DOI: Natuur, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2 (Over DOI’s).