Koude atomen en ionen nu mengbaar

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics.

In het experiment dompelden de onderzoekers een enkel gevangen ion onder in een wolk van zo’n tienduizend atomen met een temperatuur van een paar microkelvin. Met behulp van technieken die ontwikkeld werden voor gevangen ionen in kwantumcomputers konden ze de bewegingsenergie van het ion in de gaten houden terwijl het werd afgekoeld door het bad van atomen. Het zou voor de hand liggen dat het ion na een aantal botsingen dezelfde temperatuur krijgt als het atomenbad, maar de oscillerende elektrische velden die het ion op zijn plaats gevangen houden, maken de situatie ingewikkelder. Door deze elektrische velden kan er namelijk juist warmte ontstaan als het ion met een atoom botst. Vanwege dit effect was het tot nu toe niet mogelijk om een mengsel van atomen en ionen in het kwantum-temperatuurregime te maken.

Smoking gun

Enkele jaren geleden werd door wetenschappers van het MIT berekend dat deze ongewenste verwarmingseffecten konden worden verzacht door een heel zwaar ion te mengen met atomen die juist heel licht zijn. In het experiment in Amsterdam werd daarom een enkel ytterbium-ion (171Yb+) ondergedompeld in een wolk van lithium-atomen (6Li). Deze combinatie heeft, van alle atoom- en ionsoorten die goed met lasers te manipuleren zijn, de grootste verhouding tussen de massa’s. De onderzoekers maten de bewegingsenergie van de atomen en het ion in alle bewegingsrichtingen en concludeerden dat de botsingsenergie tussen de atomen en het ion de zogeheten s-wave-limiet bereikt. In dit regime is de kwantumtheorie noodzakelijk om de botsing te kunnen beschrijven.

Als ‘smoking gun’ presenteren de auteurs metingen aan botsingen tussen de atomen en het ion waarin ion en atoom wisselen van spintoestand. Deze botsingen schenden de klassieke resultaten afkomstig uit een beschrijving die bekend staat als Lange-vintheorie – een duidelijke aanwijzing voor het feit dat in de botsingen ook kwantumverschijnselen een rol spelen. Door hun meetgegevens te fitten met theoretische voorspellingen, ontwikkeld in de groep van dr. Tomza in Warschau, berekenen de auteurs de verstrooiingslengtes – parameters die de kwantumverstrooiing volledig bepalen.

De resultaten effenen de weg naar allerlei nieuwe mogelijkheden, zoals het onderzoek van kort-bestaande configuraties van atomen en ionen die bekend staan als magneto-moleculaire resonanties. Deze configuraties, ook wel Feschbach-resonanties genoemd, zijn het werkpaard van de kwantumsimulatoren die uit alleen atomen bestaan, maar zijn nog nooit waargenomen tussen atomen en ionen, aangezien de benodigde temperaturen buiten bereik waren. Het nu gemaakte mengsel van atomen en ionen zou daarom als nieuw platform kunnen dienen voor kwantumsimulaties van veeldeeltjesverschijnselen zoals het natuurkundige gedrag van geladen oneffenheden die wisselwerken met een kwantumvloeistof. Een verdere interessante mogelijkheid is het gebruik van een wolk van koude atomen om een kwantumcomputer die gebruik maakt van koude ionen doorlopend te koelen.