Dette studie af en ion i et Bose-Einsten kondensat (BEC) er et ægte CCQ projekt inspireret af de seneste eksperimentelle fremskridt i produktionen af atomare BEC’er, som på smuk vis eksemplificeres i CCQ gruppen under Jan Arlt, og indfangningen af enkelte ioner i ionfælder, som CCQ gruppen under Michael Drewsen har stor ekspertise i.  Det naturlige spørgsmål er: Hvad sker der, hvis sådanne to eksperimentelle grupper går sammen og fører en enkelt ion ind i et BEC? Der er allerede mange eksperimentelle grupper rundt om i verdenen, der arbejder på dette, og forfatterne bag dette Letter har nu givet et svar på spørgsmålet fra et teoretisk synspunkt.

Atom-ion hybride systemer er meget vigtige at forstå, fordi de repræsenterer en spændende grænse for realiseringen af kvantesimulatorer. Sådanne simulatorer kan ekstrahere vigtig fysik fra kvantesystemer, som ingen supercomputere eller gængse eksperimenter ville kunne modellere. Helt specifikt, er forståelsen af en ion i et BEC et vigtigt første skridt i denne retning og har f.eks. implikationer for kontrol, køling og transport af qubits i en fremtidig kvantesimulator.

En ionisk urenhed har en ladning, som giver anledning til langtrækkende vekselvirkninger mellem ionen og atomerne i BEC’et, som er mere komplicerede at håndtere end i tilfældet med en neutral urenhed. Forfatterne har været nødt til at lave ikke-trivielle udvidelser af allerede eksisterende metoder fra det neutrale tilfælde og kombineret flere af disse for at male et billede af et interessant samspil mellem få- og mange-partikel fysik. De påviser eksistensen af flere polaroniske og molekylære tilstande, som opstår pga. bindingen mellem et stigende antal af bosoner til ionen. Dette er langt ud over, hvad der kan beskrives med et kortrækkende pseudopotential, relevant for det neutrale tilfælde.

Ydermere, karakteriserer forfatterne dynamikken af disse tilstande og estimerer, at mange-partikel effekterne skulle være observerbare i moderne eksperimenter. Dette bliver interessant at følge, især hvis et sådant eksperiment bliver gennemført i CCQ regi. I mellemtiden arbejder den teoretiske gruppe under Georg Bruun videre og prøver nu at forstå, hvad der sker, når der er flere ioner i BEC’et. Lydbølger i BEC’et medierer i dette tilfælde vekselvirkninger mellem ionerne, som giver anledning til spændende fysik. I det store hele, er dette Letter en vigtig milepæl og værdifuld guide for fremtidige teoretiske og eksperimentelle studier af hybride atom-ion systemer.

Læs den videnskabelig artikel i Physical Review Letters