Świat ma naturę kwantową. Widoczne jest to w bardzo niskich temperaturach. Gdy gazy atomów są ultrazimne, można kontrolować ich oddziaływania. Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego pod kierunkiem dr. hab. Michała Tomzy wraz z grupą doświadczalną prof. Tobiasa Schaetza z Uniwersytetu we Fryburgu jako pierwsi zaobserwowali rezonanse Feshbacha pomiędzy pojedynczym jonem i ultrazimnymi atomami. Artykuł podsumowujący wyniki ich badań ukazał się w magazynie „Nature”. Publikacja została wyróżniona na okładce czasopisma.

Zjawisko rezonansów Feshbacha pozwala na otrzymanie zimnych cząsteczek i kontrolę ich właściwości poprzez zmiany pola magnetycznego. Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Uniwersytetu we Fryburgu po raz pierwszy zaobserwowali i wyjaśnili istnienie tego zjawiska pomiędzy pojedynczym jonem i ultrazimnymi atomami.

Wyniki wieloletniej pracy naukowców zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature”. Artykuł został wyróżniony na okładce, jako najważniejszy w wydaniu.

Badacze z UW odpowiedzialni byli za analizę teoretyczną zjawiska, część doświadczalną przeprowadzili naukowcy z Uniwersytetu we Fryburgu. W zespole polskich teoretyków badających zjawisko są naukowcy z Wydziału Fizyki UW: dr hab. Michał Tomza, doktorant Dariusz Wiater i magistrantka Agata Wojciechowska z grupy Kwantowych Układów Molekularnych oraz dr Krzysztof Jachymski, lider grupy Ultrazimnych Układów Atomowych.

– Choć nie możemy tego na co dzień zaobserwować, świat ma naturę kwantową. Aby możliwe było ujawnienie się tej natury, pomocne jest znaczne obniżenie temperatury. Pozwala to na pojawienie się zjawisk takich, jak nadciekłość czy nadprzewodnictwo. Przykładem kwantowej materii mogą być ultrazimne gazy atomów schłodzone do ułamka stopnia powyżej zera bezwzględnego. Wykorzystując zjawisko rezonansów Feshbacha, można w takich warunkach przy użyciu pól elektromagnetycznych kontrolować oddziaływania pomiędzy atomami – wyjaśnia dr hab. Michał Tomza z Wydziału Fizyki UW.

Kontrola w mikroskali

Magnetyczne rezonanse Feshbacha znacząco zwiększają częstość zderzeń w momencie, w którym energia stanów molekularnych dostrojona jest do energii zderzających się atomów – dla konkretnych wartości pola magnetycznego obserwowano je jako wzrost prawdopodobieństwa utraty jonu na skutek jego reakcji z parami atomów. Naukowcom udało się także zademonstrować wzrost częstości zderzeń dwuciałowych w pobliżu rezonansu, co umożliwia efektywne schłodzenie jonu. Analiza teoretyczna polskich naukowców pozwoliła na określenie nieznanych dotąd parametrów oddziaływań oraz na przewidzenie pozycji rezonansów, których początkowo eksperyment nie wykrył.

Otwarta droga dla nowych eksperymentów

Ultrazimne układy jon-atom mają wiele potencjalnych zastosowań w obliczeniach i symulacjach kwantowych. Wyniki uzyskane przez fizyków otwierają drogę do kolejnej generacji eksperymentów, w których stan kwantowy jonu będzie można znacznie łatwiej kontrolować. Niższa energia i dłuższy czas życia jonu pozwolą na zbadanie nowych zjawisk i wytworzenie interesujących stanów kwantowej materii, które z jednej strony pomogą lepiej zrozumieć kwantową naturę świata, zaś z drugiej będą kolejnym fundamentalnym elementem rodzących się technologii kwantowych. Można spodziewać się, że rezonanse Feshbacha pomiędzy jonem i atomami zostaną w krótkim czasie zaobserwowane również dla innych kombinacji pierwiastków.

Badania przedstawione w „Nature” są wynikiem projektu OPUS NCN pt. „Ultrazimne kwantowe mieszaniny jonów z atomami, cząsteczkami i atomami rydbergowskimi: nowe hybrydowe układy i zastosowania”, realizowanego przez naukowca w latach 2017–2021.