Kvanttisimulaatio: kollektiivisten ilmiöiden näkyvyyden parantaminen

Ludwig-Maximilians-Universität Münchenin (LMU) ja sen MCQST:n huippuosaamisryhmän tutkijat kehittävät menetelmiä uusien monikappalejärjestelmien suoraan havainnointiin.

Kvanttifysiikan maailmassa monet hiukkaset käyttäytyvät yhdessä usein aivan eri tavalla kuin yksittäisten yksiköiden ominaisuuksien perusteella voisi odottaa. Näiden kvanttisten monikappalejärjestelmien ominaisuudet riippuvat voimakkaasti hiukkasten välisten vuorovaikutusten laajuudesta.

Kun tällaisia vuorovaikutuksia esiintyy paitsi välittömien naapureiden välillä, myös useiden kohtien yli, tämä voi johtaa epätavallisiin kollektiivisiin ilmiöihin tai eksoottisiin aineen tiloihin – kuten järjestelmiin, joilla on erityisiä rakenteita tai sitoutuneita hiukkaspareja, joiden pitäisi itse asiassa hylkiä toisiaan.

Uudessa, Science -lehdessä hiljattain julkaistussa artikkelissaan LMU:n fyysikkojen Johannes Zeiherin, Immanuel Blochin ja Annabelle Bohrdtin johtama MCQST:n jäsenryhmä käyttää kokeellista menetelmää uusien monikappalejärjestelmien manipulointiin.

Rydberg-sidoksena tunnettu kvanttioptiikan työkalupakkiin kuuluva tekniikka sisältää erittäin voimakkaasti vuorovaikuttavien tilojen "sekoittamisen" muuten melko heikosti vuorovaikutuksessa oleviin atomeihin laservalolla. Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden hienosäätää atomien välisten voimien voimakkuutta ja aluetta erittäin tarkasti – useiden hilavälien yli. Kvanttisimulaatiokokeessaan ryhmä manipuloi rubidiumatomeja.

Normaalisti on vaikea tutkia tällaisia pitkän kantaman vuorovaikutuksia liikkuvien atomien järjestelmässä hallitusti. Tutkimusryhmä onnistui ratkaisemaan tämän ongelman erityisellä stroboskooppisella valaistustekniikalla, joka piti järjestelmän vakaana riittävän kauan, jotta monimutkaisia monikappaleilmiöitä voitiin havaita suoraan kvanttikaasumikroskoopilla.

”Menetelmä mahdollistaa täysin uusien kollektiivisten kvantti-ilmiöiden havaitsemisen, jotka olivat aiemmin enemmän tai vähemmän saavuttamattomissa kokeille”, sanoo Johannes Zeiher. ”Erityisen mielenkiintoista on mahdollisuus hallita vuorovaikutuksia laservalon avulla.” Menetelmä antaa siis tutkijoille mahdollisuuden havaita erityisesti kvanttitiloja, jotka on teoreettisesti ennustettu.

Menetelmää voitaisiin mahdollisesti käyttää myös simuloimaan malleja, jotka ovat merkityksellisiä kiinteän olomuodon fysiikan ilmiöille, kuten suprajohtavuudelle.

Samoin se voisi helpottaa eksoottisten materiaalien tutkimista – esimerkiksi materiaalien, joilla on samanaikaisesti nesteiden ja kiinteiden aineiden ominaisuuksia, niin kutsuttujen superkiinteiden aineiden.

Tutkijoiden mukaan tulokset tasoittavat tietä valolla ohjattujen laajennetun kantaman vuorovaikutteisten kvantti-monikappalejärjestelmien toteuttamiselle

Aiheesta aiemmin:

Kvanttifaaseja kehitellen

Aineen uuden olomuodon äärellä

Sirutason GHz:n aikakiteitä puolijohteisilla fotonirakenteilla