Experiment med ultrakalla atomer vid TU Wien har visat överraskande resultat:kopplade atommoln synkroniseras inom millisekunder. Denna effekt kan inte förklaras av standardteorier.

När atomer kyls ner till nästan noll temperatur, deras egenskaper förändras helt. De kan förvandlas till ett Bose-Einstein-kondensat, ett extremt kallt tillstånd av materia, där partiklarna förlorar sin individualitet och bara kan beskrivas kollektivt – som ett enda kvantobjekt.

Vid TU Wien (Wien), moln av ultrakalla atomer har studerats i åratal. De är ett perfekt modellsystem för att studera grundläggande frågor om kvantfysik med många partiklar. Nu forskargruppen av professor Jörg Schmiedmayer (Institute of Atomic and Subatomic Physics, TU Wien) har hittat anmärkningsvärda resultat som inte kan förklaras av någon av de existerande teorierna. När två ultrakalla kvantgaser kopplas, de kan synkronisera spontant, oscillerar perfekt unisont efter bara några millisekunder. Detta innebär att läroboksteorier om Bose-Einstein-kondensater måste ses över. Resultaten har nu publicerats i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Atomer i fällan

"Vi använder ett speciellt designat atomchip för att kyla ner atomerna och modifiera deras egenskaper", säger Jörg Schmiedmayer. "Chipet kan fånga hundratals eller tusentals atomer och manipulera deras kollektiva egenskaper med elektromagnetiska fält."

I början, ett moln av atomer kyls ner till en temperatur på bara några nanokelviner. "Sedan, använda atomchipet, vi skapar en barriär, skiljer molnet i två delar", säger Marine Pigneur, uppsatsens första författare och Ph.D. elev i Schmiedmayers team. "Om barriären är tillräckligt låg, atomer kan fortfarande passera från den ena sidan till den andra genom en effekt som kallas kvanttunnelering. Därför, de två atommolnen är inte helt oberoende, de är kopplade."

Enligt kvantfysiken, varje objekt kan beskrivas som en våg. Vågegenskaperna är inte synliga för oss, eftersom föremålen vi har att göra med varje dag är för stora och för varma. Kalla atomers beteende, dock, påverkas starkt av dessa vågegenskaper.

En av dessa egenskaper är fasen, vilket kan förstås genom att jämföra kvantvågen med en tickande klocka:"Föreställ dig två identiska pendelklockor", säger Jörg Schmiedmayer. "De kan vara perfekt synkroniserade, så att de två pendlarna båda når sin lägsta punkt vid exakt samma tidpunkt, men vanligtvis, deras rörelse är lite osynkroniserad. Isåfall, vi talar om en fasskillnad mellan de två pendlarna."

När de två atommolnen skapas, de börjar utan fasskillnad – de är perfekt synkroniserade. Men med hjälp av atomchipet, de kan avsynkroniseras. Kvantfasskillnaden mellan de två atommolnen (i vilken utsträckning de är osynkroniserade) kan kontrolleras med stor precision. Efteråt, de två molnen övervakas noggrant för att se om denna fasskillnad förändras över tiden.

Om två klassiska pendlar är sammankopplade med ett gummiband, bandet kommer att skingra en del av energin och de två pendlarna kommer att synkroniseras. Något liknande händer med de två atommolnen:om de är kopplade, de synkroniseras automatiskt, på anmärkningsvärt kort tid. "Det här låter normalt, när vi tänker på pendelklockor, men enligt de väletablerade teorierna om Bose-Einstein-Condensates, detta är ganska förvånande eftersom vi inte har förlust", säger Jörg Schmiedmayer. "I ett kvantsystem som vårt, som är avskärmad från miljön, vi förväntar oss perioder av synkronisering som alternerar med avsynkronisering för alltid."

Letar efter en okänd mekanism

"I processen att avsynkronisera klockorna, vi tar systemet ur jämvikt", säger Marine Pigneur. "De flesta teorier hittills beskriver framgångsrikt kopplingen av Bose-Einstein-kondensat i jämvikt, men de är otillräckliga för att beskriva situationen utanför jämvikt och synkroniseringen vi observerar." Faktumet att "kvantrytmerna" för de två atommolnen är exakt desamma efter bara några millisekunder antyder att det finns en mekanism som försvinner energi. Eftersom systemet är isolerat från sin omgivning, energi kan inte försvinna utan bara överföras. "Kopplingen som redovisas i läroböckernas teorier kan inte överföra energi så starkt och snabbt som vi observerar. Så antingen saknar dessa teorier något – eller så är de bara fel. Det betyder att det är vår förståelse av samspelet mellan själva atomerna som måste vara ändrad."

Med detta överraskande fynd, forskargruppen hoppas kunna stimulera ytterligare forskning inom detta område. "Trots allt, beteendet hos kvantsystem med många kroppar utanför jämvikt är ett av de stora olösta problemen i modern fysik", säger Jörg Schmiedmayer. "Det ansluter till många grundläggande frågor - från tillståndet i det tidiga universum direkt efter big bang till frågan varför konstiga kvanteffekter bara kan observeras i en liten skala, medan större föremål följer den klassiska fysikens lagar."