Silvia Musolino försvarade sin doktorsexamen. på nya teoretiska insikter i kvantfysik genom att studera gaser vid lägsta temperaturer bestående av många atomer.

Ett praktiskt sätt att studera kvantmekanik tillhandahålls av gaser som har extremt låg densitet och består av många atomer, ofta mer än hundra tusen, kyls ner till temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Silvia Musolino studerade olika typer av interaktioner mellan dessa atomer, tillhandahålla nya vägar för framtida forskning om ny teknik som kvantdatorer.

Kvantmekaniska lagar styr fysiken på atomär skala och kännetecknas av klassisk mekanik, som huvudsakligen handlar om naturfenomen vi kan se, höra, eller rör. Dock, även kvantmekaniken påverkar vårt dagliga liv. Transistorer, som är avgörande komponenter i elektroniska enheter, baseras på kvantmekaniska effekter. Dessutom, kvantmekaniken banar väg för ny teknik som starkt kan påverka våra liv, som kvantdatorer.

Atomer rör sig alla tillsammans

I gaser med extremt låg densitet, mycket lägre än luftdensiteten, atomer kan knappt se varandra. Beteendet hos dessa system beror bara på ett fåtal parametrar, till exempel densitet och temperatur. Detta gör det möjligt att konstruera mycket generella teoretiska modeller som kan beskriva många och väldigt olika system.

I kvantmekaniken beter sig atomer som vågor med en karakteristisk längdskala, kallas den termiska våglängden. Vid låga temperaturer, denna skala blir större än avståndet mellan två atomer, och så kan vågorna associerade med atomerna summeras, vilket leder till kollektiva fenomen, som Bose-Einstein-kondensering.

När atomer genomgår Bose-Einstein-kondensation, de börjar röra sig alla tillsammans i samma riktning och, även om de är många, de beter sig som en enda enhet. Under sitt examensarbete, Musolino analyserade detta fenomen med hjälp av enkroppskorrelationsfunktionen, som kvantifierar den inbördes kopplingen av atomerna inuti Bose-Einstein-kondensatet.

Bildning av kompositer

Vidare, hon studerade andra typer av korrelationer med tanke på interaktioner mellan atomer. Interaktioner kännetecknas av en parameter som kallas spridningslängden, vilket kan tolkas som avståndet från atomen där interaktionerna effektivt fungerar. Starka interaktioner innebär att spridningslängden är mycket större än avståndet mellan atomerna. Särskilt, Musolino ansåg starka interaktioner inducerade av en snabb förändring av spridningslängden i tiden; detta gör korrelationerna beroende av tid och driver systemet ur jämvikt.

En atom är en boson om antalet neutroner i kärnan är jämnt, annars är det en fermion. Bosoniska atomer gillar att hålla ihop, vilket betyder att de kan ockupera samma stat; istället, fermioner är "mindre sociala" och två fermioner kan uppta samma tillstånd endast om de har två olika snurr, vilket är en inneboende egenskap hos partikeln.

Eftersom bildningen av kompositer beror på typen av atomer, Musolino utvecklade ett allmänt teoretiskt ramverk som kunde spåra dynamiken hos fåkroppskorrelationer i ett system som består av många atomer och tillämpade denna metod på bosoniska och fermioniska gaser.

I denna modell, hon inkluderade också experimentella funktioner, som närvaron av en containerfälla, vilket gör att atomerna inte är helt fria att röra sig, och gjorde många jämförelser med existerande experimentella data - ett viktigt fynd. Inom hennes teori, hon visade hur närvaron av kompositer förändrar dynamiken i hela mångakroppssystemet och ger nya vägar för framtida forskning.