Utrechtse onderzoekers vinden oplossing voor controverse in ultrakoude atoomfysica
Twee baanbrekende, maar volledig tegenstrijdige experimenten hebben onlangs de wereld der ultrakoude atoomfysica op zijn kop gezet. Onderzoekers van Universiteit Utrecht, Stichting FOM en NWO bedachten een verklaring. Beide experimenten werden gedaan met ultrakoude gassen van fermionen in twee verschillende spintoestanden, waarbij het aantal fermionen per spintoestand experimenteel gevarieerd kan worden. Op deze manier kan het fermiongas worden gepolariseerd en de vraag was wat er zou gaan gebeuren met zaken als wrijvingloosheid (superfluïditeit) aangezien fermionen moeilijker kunnen paren door de disbalans in de twee spintoestanden. De resultaten van de experimenten - gedaan door gerenommeerde onderzoeksgroepen van MIT en van Rice University spraken elkaar tegen. De Utrechtse onderzoekers Gubbels, Romans en Stoof publiceerden afgelopen week in het tijdschrift Physical Review Letters een theoretisch kader voor de ogenschijnlijke tegenstelling. Ook berekenden zij een fasediagram dat zichtbaar maakt, waarom de experimentuitkomsten verschillen. Deze kennis is ook van belang voor andere gebieden in de fysica zoals supergeleiding of neutronensterren.
Bose-Einstein condensatie
In de natuur komen twee soorten deeltjes voor, fermionen en bosonen. Fermionen hebben halftallige spin en gedragen zich als "asociale deeltjes". Één quantumtoestand kan namelijk maximaal één fermion bevatten. Bosonen hebben echter heeltallige spin en zijn "sociale deeltjes". Ze hebben geen probleem om in dezelfde quantumtoestand te verkeren. Als gevolg kunnen bosonen bij lage temperaturen gezamenlijk in de laagst energetische toestand terechtkomen en zich gaan gedragen als één groot quantummechanisch object (Bose-Einstein condensatie). Bose-Einstein condensatie geeft aanleiding tot allerlei exotische effecten, zoals superfluïditeit, wat betekent dat het condensaat wrijvingsloos langs een object kan stromen. Fermionen kunnen vanwege hun asociale karakter niet Bose-Einstein condenseren. Maar als fermionen een attractieve interactie hebben, kunnen ze paren vormen, zogeheten Cooper-paren. Aangezien een paar van fermionen een boson oplevert, kunnen Cooper-paren wel Bose-Einstein condenseren en daarmee aanleiding geven tot superfluïditeit. Meestal vindt Cooper-paring plaats tussen twee fermionen in verschillende spintoestanden. Bovendien is in dat geval de paring optimaal als de deeltjesaantallen in de twee spintoestanden gelijk zijn. De situatie verandert echter als deze deeltjesaantallen ongelijk worden.
Tegenstrijdige observaties
De onderzoeksgroep van Wolfgang Ketterle te MIT en de groep van Randy Hulet te Rice University zijn erin geslaagd om een sterk interagerend Fermi gas van lithium atomen te bestuderen als functie van de spinpolarisatie. De resultaten van deze baanbrekende experimenten sloegen in als een bom. Niet in de laatste plaats omdat de resultaten elkaar volledig lijken tegen te spreken. Waar de MIT-groep een faseovergang tussen een superfluïde en een normale toestand waarneemt bij een hoge polarisatie van 70%, daar lijkt de Rice-groep alleen een overgang waar te nemen tussen twee verschillende superfluïde toestanden bij een lage polarisatie van 9%. Hoe kan het zijn dat twee excellente experimentele studies aan hetzelfde systeem zulke kwantitatief en kwalitatief verschillende observaties opleveren? Deze vraag veroorzaakte een ware explosie aan theoretische activiteit, met zo mogelijk nog meer uiteenlopende resultaten.
Van de eerste of van de tweede orde?
Ook de onderzoekers uit Utrecht hebben zich in deze discussie gemengd met als belangrijkste resultaat een fasediagram (figuur 2). De berekeningen zijn in navolging van de experimenten gedaan met atomen in een harmonische val. Aangezien de dichtheden het hoogste zijn in het centrum van de val, zal daar het eerst Bose-Einstein condensatie plaatsvinden. Als gevolg maken de Utrechters onderscheid tussen drie verschillende fases. In de normale fase is het gas nergens superfluïde in de val, zelfs niet in het centrum. In de zogeheten Sarma fase en fasegesepareerde fase is er sprake van een superfluïde kern met daaromheen gas in de normale toestand. De Sarma fase wordt gedefinieerd door de eigenschap dat de normaal-superfluïde overgang in de val van de tweede orde is, dat wil zeggen continu, terwijl de overgang in de fasegesepareerde fase van de eerste orde is, dat wil zeggen discontinu. De Sarma fase is zo genoemd, omdat de onderzoekers uit Utrecht zich realiseerden dat een polarisatie ongelijk aan nul in combinatie met een tweedeorde faseovergang leidt tot een exotische vorm van superfluïditeit, die als eerste bestudeerd is door Sarma.
Het fasediagram van figuur 2 maakt zichtbaar waarom de observaties van de twee experimentele groepen verschilden: de MIT-groep deed zijn metingen boven het (tri)kritieke punt, waar de drie verschillende fases samenkomen. Hierdoor hebben ze de overgang gemeten tussen de Sarma en de normale fase bij een hoge polarisatie van 70%. De Rice-groep opereert daarentegen beneden het (tri)kritieke punt, waardoor ze de overgang tussen de Sarma en de fasegesepareerde fase hebben gezien. Dit voorstel heeft inmiddels al nieuwe experimenten van de Rice-groep gestimuleerd bij hogere temperaturen, die inderdaad hebben geleid tot observaties analoog aan de MIT-resultaten, geheel in overeenstemming met het Utrechtse fasediagram.
Het artikel is getiteld: 'Sarma Phase in Trapped Unbalanced Fermi Gases'. De auteurs zijn: Koos Gubbels, Mathijs Romans en Henk Stoof.
Meer informatie: Koos Gubbels, telefoon: +31 (0)30 253 23 22 en Henk Stoof, telefoon: +31 (0)30 253 18 71.