Κβαντική μετάβαση φάσης σε ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein

Από σελίδα του PhysicsWeb 7 Ιανουαρίου 2002

Φυσικοί έχουν παρατηρήσει για πρώτη φορά, μια κβαντική μετάβαση φάσης σε ένα αέριο με άτομα. Οι περισσότερες μεταβάσεις φάσης - όπως η τήξη του πάγου για το σχηματισμό υγρού νερού - είναι ένα αποτέλεσμα θερμικών διακυμάνσεων. Οι κβαντικές μεταβάσεις φάσης είναι διαφορετικές στο ότι αυτές  προκαλούνται από διακυμάνσεις που επιτρέπονται από την αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg και μπορούν να συμβούν στο ή κοντά στο απόλυτο μηδέν ( Nature, Greiner και λοιποί, 2002 415 39).

O Immanuel Bloch και συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilians στο Μόναχο, το Ινστιτούτο Max Planck για την κβαντική οπτική, που βρίσκεται επίσης στο Μόναχο, και στην Πολυτεχνική Σχολή στη Ζυρίχη στην Ελβετία, ξεκίνησαν με την ψύξη ενός αερίου με άτομα ρουβιδίου έως ότου διαμόρφωσαν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein - μια νέα κατάσταση στην οποία όλα τα άτομα καταρρέουν στην ίδια κβαντική κατάσταση. Το συμπύκνωμα αποθηκεύτηκε σε μια μαγνητική παγίδα και τότε φωτίστηκε από έξι ακτίνες λέιζερ. Αυτές οι ακτίνες διαμόρφωσαν ένα τρισδιάστατο ενεργειακό τοπίο που ήταν γνωστό ως οπτικό δικτυωτό πλέγμα. Οι αιχμές (κοτυφές) και οι κοιλάδες στο τοπίο διαμορφώνουν ένα τέλειο κυβικό δικτυωτό πλέγμα.

Όταν το πηγάδι δυναμικού - η ενεργειακή διαφορά μεταξύ της κορυφής μιας αιχμής και του κατώτατου σημείου μιας κοιλάδας - ήταν μικρό, τα άτομα του ρουβιδίου ήταν σε θέση να κινηθούν ελεύθερα μεταξύ των κοιλάδων. Αυτή είναι η κανονική υπέρρευστη κατάσταση ενός συμπυκνώματος Bose. Εντούτοις, όταν διευρύνθηκε το πηγάδι δυναμικού με την αύξηση της έντασης των λέιζερ, τα άτομα δεν ήταν πλέον ικανά να κινηθούν ελεύθερα σε όλο το συμπύκνωμα: μια τέτοια κατάσταση είναι γνωστή ως μονωτής Mott.

Μ κβαντική ορολογία, η μετάβαση εμφανίζεται μεταξύ μιας υπέρρευστης κατάστασης στην οποία όλα τα άτομα έχουν την ίδια κβαντική φάση και ο αριθμός των ατόμων σε μια κοιλάδα μπορεί να κυμανθεί, και μιας μονωμένης κατάστασης στην οποία η φάση ποικίλλει αλλά ο αριθμός των ατόμων σε μια κοιλάδα είναι σταθερός. Η μετάβαση ήταν αντιστρέψιμη και η μονωμένη κατάσταση θα μπορούσε να μεταβληθεί πάλι στην υπέρρευστη κατάσταση μειώνοντας την ένταση του λέιζερ πάλι.

Τα υπέρψυχρα αέρια είναι πολύ "καθαρότερα" και ευκολότερα να ελεγθούν από τα συνηθισμένα συστήματα στερεάς κατάστασης, που χρησιμοποιούνται στις μελέτες των κβαντικών μεταβάσεων φάσεων. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν από την ομάδα του Μονάχου-Ζυρίχης, θα μπορούσαν επίσης να έχουν εφαρμογές και στον κβαντικό υπολογισμό.