Kvantgaser bestående av atomer är extremt lämpliga för att observera kvantmekaniska fenomen och göra nya typer av kvantmateria. I sin Ph.D. forskning Mestrom kunde kvantifiera effekterna av trepartikelkollisioner i dessa ultrakalla gaser. Med en ny numerisk metod kunde han karakterisera och förutsäga vissa effekter av dessa kollisioner. Han försvarade sin doktorsexamen. den 27 september vid institutionen för tillämpad fysik.

En kvantgas kan skapas från en atomgas genom att kyla atomerna till temperaturer under en mikrokelvin. Detta är mycket nära absolut noll och motsvarar ungefär -273 grader Celsius. Tätheten hos dessa atomära kvantgaser är extremt låg, många tusen gånger lägre än luftens täthet omkring oss.

Interaktionsstyrka

Dessutom, de är mycket små med en typisk diameter på ett hårstrå. Egenskaperna hos dessa ultrakalla kvantgaser beror på interaktionerna mellan partiklarna som kolliderar med varandra. På grund av den extremt låga densiteten, kollisioner mellan två partiklar förekommer mycket oftare än kollisioner mellan tre eller flera partiklar. Ändå, trepartikelkollisioner har stor inverkan på stabiliteten hos ultrakalla kvantgaser.

Genom att använda kvantmekanikens lagar kan Mestrom härleda en interaktionsstyrka som kan användas för att kvantifiera effekterna av dessa trepartikelkollisioner. Han utvecklade en numerisk metod som gjorde att han kunde beräkna denna interaktionsstyrka för olika typer av trepartikelsystem och studera både elastiska och oelastiska kollisioner mellan tre partiklar.

Gasa till vätska

Först, han undersökte kollisioner mellan tre identiska partiklar. När interaktionen mellan två partiklar är precis tillräckligt stark för att bilda en molekyl utan orbital rörelsemängd (en så kallad s-vågsmolekyl), tre partiklar kan bilda oändligt många typer av molekyler. Mestrom analyserade hur den universella skalningen av storleken på dessa molekyler – känd som Efimov-effekten – påverkas av modellerna som beskriver tvåpartikelinteraktionerna.

Dessutom, effekten av elastiska trepartikelkollisioner på ultrakalla kvantgaser ökar när tvåpartikelinteraktionsstyrkan är extremt låg. Mestrom visade att interaktionsstyrkan mellan tre atomer då beter sig universellt. Dessutom, denna interaktionsstyrka har en frånstötande effekt på kvantgasen. Denna frånstötande kraft kan till och med stabilisera en instabil kvantgas till en kvantvätska.

Snurra

Förstärkta effekter av elastiska trepartikelkollisioner förekommer även i ultrakalla gasblandningar. Det händer, till exempel, när två icke-identiska partiklar kan bilda en svagt bunden molekyl med ett positivt orbitalt vinkelmoment (en så kallad p-vågsmolekyl). Tre-partikelinteraktionsstyrkan beter sig då universellt.

Vidare, kvantmekaniska partiklar kan ha en inneboende vinkelrörelsemängd. Detta är känt som spin. Man kan skapa ultrakalla kvantgaser där partiklarna har friheten att ändra sitt spinntillstånd. Denna förändring kan ske genom kollisioner med andra partiklar.

I sin avhandling, Mestrom undersökte bidraget från trepartikelkollisioner till spindynamiken. På detta sätt har han bestämt effekten av trepartikelkollisioner på de magnetiska egenskaperna hos atomära kvantgaser. Dessutom, han har förutspått hur denna effekt kan förstärkas med hjälp av elektromagnetisk strålning och magnetfält.