I en banbrytande insats har forskare från universitetet i Innsbruck i samarbete med universitetet i Durham för första gången uppnått Bose-Einstein-kondensering av icke-grundtillståndscesiumatomer. Publicerad i Nature Communications , denna forskning banar väg för nya experiment med ultrakalla atomgaser och studiet av många kroppars kvantfysik.
Atomvärlden, typiskt kännetecknad av slumpmässigt kaos och värme, genomgår en anmärkningsvärd förvandling när atomerna kyls ned drastiskt. Vid temperaturer strax över absolut noll går atomer in i ett unikt kvanttillstånd känt som ett Bose-Einstein-kondensat (BEC), där de beter sig som en enda, sammanhängande enhet. Det första framgångsrika förverkligandet av en BEC var 1995, 70 år efter den teoretiska förutsägelsen av Albert Einstein och Satyendra Nath Bose.
Sedan dess har forskare grävt i de speciella egenskaperna hos dessa ultrakalla gaser för att reda ut mysterier inom kvantmekaniken. Dessutom har ultrakalla atomgaser, kända för sin höga grad av kontrollerbarhet, fungerat som ovärderliga testbäddar för få- och mångakropps kvantfysik.
Cesium, i synnerhet, har varit avgörande i detta avseende på grund av dess rika landskap av Feshbach-resonanser, vilket möjliggör exakt inställning av interaktioner. Traditionellt har cesium kondenserats i sitt absoluta grundtillstånd. Nu har forskare från University of Innsbruck, i samarbete med ett teoriteam från University of Durham, för första gången uppnått kondensationen av cesiumatomer i det Zeeman-exciterade mF=2-tillståndet, en icke-grundtillståndskonfiguration.
"Uppnåendet av Bose-Einstein kondensering är beroende av att upprätthålla ett gynnsamt förhållande mellan bra och dåliga kollisioner. Elastiska kollisioner spelar en avgörande roll för att driva avdunstning och termaliseringsprocessen, medan tvåkropps oelastiska kollisioner och trekroppsrekombination kan minska kylningseffektiviteten , möjligen till den grad att BEC inte kan nås", förklarar Milena Horvath, studiens första författare.
Teamet identifierade två distinkta magnetfältsregioner där kondensering är möjlig, med försumbara tvåkroppsförluster och tillräckligt undertryckta trekroppsförluster. "Kondensering av cesiumatomer i denna icke-grundtillståndskonfiguration har också avslöjat några intressanta och oväntade trekroppsförlustmekanismer", säger Horvath.
"Upptäckten av oväntade mekanismer för förlust av tre kroppar belyser krångligheterna med ultrakalla atomsystem och understryker vikten av detaljerade experiment", tillägger huvudforskaren Hanns-Christoph Nägerl.
Denna senaste prestation bygger på två decennier av framsteg sedan cesium först kondenserades i Innsbruck 2003, vilket visar på de pågående framstegen inom området. "Denna prestation bidrar till den rika historien om kvantforskning i Innsbruck", säger Hanns-Christoph Nägerl.
"När vi fortsätter vår resa ser vi fram emot att fördjupa vår förståelse av många kroppars kvantfysik som orenheter och polaronfysik, såväl som topologiska fasövergångar och kvantgasblandningar."
Mer information: Milena Horvath et al, Bose-Einstein-kondensering av icke-grundtillståndscesiumatomer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47760-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Innsbruck
