Kvantesimulering af quasipartikler

Georg Bruun og Jan Arlt fra IFA har fra Danmarks Frie Forskningsfond netop fået bevilget kr. 5 842 049 til at arbejde videre indenfor dette område.

18.05.2018 | Ole J. Knudsen

Et enkelt (blåt) atom i en Bose-Einstein gas får gasatomerne (røde) til at fordele sig anderledes og danne en polaron (lyseblåt område), som har kvasipartikelegenskaber.

Et grundlæggende problem ved kvantemekanikkens ligninger er, at de generelt er umulige at løse. Derfor bruger fysikere typisk tilnærmelser og antagelser, hvilket gør, at man ofte ikke ved, hvor præcis vores beskrivelse af naturen er. En måde at løse dette problem på er at spørge naturen selv:  Hvis man designer et fleksibelt kvantesystem, som efterligner det system, vi er interesserede i, kan det bruges som en kvantesimulator. Her viser det sig, at atomare kvantegasser er yderst effektive kvantesimulatorer.

                                                                 Georg Bruun. Foto: IFA

I projektbeskrivelsen fortæller de to forskere, at de vil bruge kvantegasser til at udforske ”urenheds”-atomer i et Bose-Einstein kondensat. Urenhedsatomet tiltrækker bosonerne i kondensatet omkring sig og danner dermed en kvasipartikel kaldet Bose polaronen. Kvasipartikler er vigtige, fordi de kan bruges til at forenkle beskrivelsen af en lang række kvantesystemer. Bosepolaronen blev i 2016 observeret i Jan Arlts laboratorie som det første sted i verden. Dette internationale gennembrud blev opnået i kraft af et tæt samarbejde mellem Georg Bruuns teoretiske gruppe, som forudsage hvor og hvordan man skulle lede efter polaronen, og Jan  Arlts gruppe, som udførte eksperimentet. De to forskere udbyggede dette succesfulde samarbejde til at udforske Bose polaronen systematisk og i helt nye regimer. Specifikt vil de undersøge, hvor hurtigt polaronen skabes, hvordan den påvirkes af termiske effekter, hvorledes den bremses op af kondensatet, og hvorvidt to polaroner kan bindes sammen til en såkaldt bi-polaron

     

Jan Arlt viser her en glasbeholder lignende den, hvori Bose-Einsteingassen fanges i vacuumforsøget. Foto: AU/Lars Kruse.

I kælderen under Institut for Fysik og Astronomi skaber Jan Arlts forskergruppe et såkaldt Bose-Einstein kondensat bestående af 39K atomer i en elektromagnetisk fælde ved ekstremt lave temperaturer. I dette Bose-Einstein kondensat sendes så et enkelt ”fremmed” atom, faktisk et 39K atom i en anden spintilstand, ind. Det får hele kondensatet til at omgruppere sig, og der dannes hvad der udadtil ligner en ny type partikel - en kvasipartikel, som har fået navnet en polaron. Ved at ændre på de fysiske forhold i fælden, f.eks. temperaturen, kan forskerne nu studere, hvordan denne særlige partikel opfører sig, og hvordan den reagerer på ydre påvirkninger.

I et af kontorerne på IFA venter Georg Bruun og hans forskergruppe spændt på måleresultaterne. De har teoretiske forudsigelser for, hvordan polaronen ”burde” opføre sig, og ved at sammenligne med eksperimentet kan de forbedre og forfine vores forståelse af polaronen og dermed kvasipartikelfysik generelt. Det er en konstant og meget givende vekselvirkning imellem teori og forsøg, hvor det viser sig at være en stor fordel, at de to forskergrupper befinder sig så tæt på hinanden på Aarhus Universitet.

Når den teoretiske models forudsigeler bekræftes eksperimentelt, får kontrollerne i eksperimentet så et par ekstra omdrejninger, indtil det hele alligevel ikke passer helt godt - og så må teoretikerne på den igen i denne fortløbende vekselvirkning, hvor resultatet er, at vi bliver klogere på naturen opfører sig i kvanteverdenen.

Forsøgsopstillingen i et af IFAs laserlaboratorier. Inde i den firkantede kobberblok findes selve Bose-Einstein kondensatet. Foto: AU/Lars Kruse.

Næste trin i det nye forskningsprojekt er at skabe to polaroner i fælden ad gangen. Georg Bruuns forskergruppe har forudsagt, at de to polaroner vil binde sig sammen i en såkaldt bipolaron. Det bliver spændende at se, om denne forudsigelse bekræftes eksperimentelt. Generelt vil de to grupper undersøge, hvad der sker, når man har flere polaroner på samme tid. Det er et spørgsmål af  kollosal betydning for eksempel for halvledere og superledere, som ofte består af mange kvasipartikler, der vekselvirker med hinanden. En øget forståelse af kvasipartikelfysik vil derfor bidrage til udviklingen af fremtidens hurtige computere og elektroniske komponenter.

Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende, Institut for Fysik og Astronomi