Atoomchip maakt thermodynamica quantumgas meetbaar
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, de Stichting FOM en de University of Queensland (Australië) zijn er in geslaagd de temperatuur en dichtheid te meten van een quantumgas dat slechts in één richting kan bewegen. De gemeten waarden komen verbazend goed overeen met exacte berekeningen volgens een methode die de nobelprijswinnaar C.N. Yang en zijn broer C.P. Yang al in 1969 ontwikkelden. De onderzoekers publiceren de resultaten deze week in Physical Review Letters. De redactie selecteerde het onderzoek als Editors’ Suggestion.
Promovendi Aaldert van Amerongen, Jan-Joris van Es, Philipp Wicke en groepsleider dr. Klaasjan van Druten deden de experimenten met behulp van een 'atoomchip', die speciaal ontwikkeld werd in het Amsterdam nanoCenter. De chip is een lithografisch gemaakt patroon van gouddraden op een silicium substraat, te zien op de foto (figuur 1). In figuur 2 is deze chip schematisch transparant weergegeven, zodat ook onderliggende extra stroomdraden zichtbaar zijn. Door elektrische stromen door de draden te sturen wordt een gas van rubidiumatomen magnetisch gevangen en zover afgekoeld dat het zich nog maar in één richting kan bewegen. Het gedraagt zich dus eendimensionaal. De onderzoekers koelen de naaldvormige gaswolk, honderd keer dunner dan een haar, af tot een temperatuur van zo’n 100 nanoKelvin, 100 miljardste graad boven het absolute nulpunt. Op deze manier hebben Van Amerongen en collega’s bijna veertig jaar na de introductie van de theorie deze voor het eerst experimenteel getoetst. De exact berekende thermodynamica van de gaswolk blijkt overeen te komen met laboratoriummetingen.
Bijzonder gas
Wat is er zo bijzonder aan dit eendimensionale Bose-gas? In de driedimensionale quantumwereld is het te complex gebleken om het thermisch gedrag van meer dan twee atomen exact (zonder benaderingen) te berekenen. Met de theorie van de broers Yang is dit wel mogelijk voor een gas van heel veel atomen mits het gas opgesloten is in één dimensie. De Yang-Yang methode is toepasbaar op een hele klasse van laagdimensionale systemen, door natuurkundigen ook wel 'integreerbare' systemen genoemd. De exacte oplossingen van de methode vormen belangrijke ijkpunten op het gebied van systemen bestaande uit veel wisselwerkende deeltjes, een belangrijk onderwerp binnen de natuurkunde van de gecondenseerde materie. Meestal zijn zulke systemen alleen door te rekenen met sterk vereenvoudigde benaderingen. Deze hebben echter slechts een heel beperkt gebied waarin ze geldig zijn. Het specifieke geval van het eendimensionale Bose-gas is het eenvoudigste voorbeeld waarvoor de Yang-Yang methode werkt. De resultaten van het nieuwe onderzoek laten nu zien dat deze theorie overeenkomt met de praktijk en ook experimenteel zeer relevant is.
Theorie en praktijk
De onderzoekers hebben in figuur 3 de gemeten evenwichtsverdeling van de atomen in de lengterichting weergegeven (zwarte punten). De blauwe lijn geeft de voorspelling van de Yang-Yang-theorie. De twee andere lijnen (rood en groen) geven de voorspelling van twee andere, benaderende, theorieën. Deze werken allebei niet voor de hele wolk. Experimenteel is het de onderzoekers bovendien gelukt de snelheidsverdeling van de atomen te bepalen. Deze verdeling valt niet direct uit de Yang-Yang-theorie af te lezen. De resultaten vormen dus een uitdaging voor theoretici om de Yang-Yang-theorie uit te breiden. De metingen en de nieuwe inzichten vormen een belangrijke stap voorwaarts in de kennis over systemen veel wisselwerkende deeltjes. Ze kunnen interessant zijn voor vergelijkbare experimentele systemen zoals atoomlasers en interferometers gebaseerd op de atoomchip.
Referentie:
De onderzoekers: A.H. van Amerongen (UvA), J.J.P. van Es (FOM), P. Wicke (FOM), K.V. Kheruntsyan (Univ. Queensland, Australie) en N.J. van Druten (UvA).
Artikel: Yang-Yang thermodynamics on an Atom Chip, Physical Review Letters 100, 090402 (2008), zie http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e090402 en http://staff.science.uva.nl/~druten/lop.html voor het volledige artikel.
Aaldert van Amerongen zal op 30 mei zijn proefschrift getiteld “One-dimensional Bose gas on an atom chip” verdedigen aan de Universiteit van Amsterdam. Inmiddels werkt hij bij SRON Netherlands Institute for Space Research aan satellietinstrumenten voor het meten van broeikasgassen in de aardatmosfeer.
Klaasjan van Druten startte in 2002, met behulp van een NWO Vidi-beurs, een onderzoeksgroep op het gebied van Quantum Gassen en Atoomchips aan het Van der Waals-Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam.
Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door NWO, FOM, ARC en de EU.
Meer informatie
Voor meer informatie, achtergrondartikelen, foto’s of een rondleiding in het lab kunt u contact opnemen met Aaldert van Amerongen, 06 12 75 44 51 en dr. Klaasjan van Druten, Universiteit van Amsterdam, (020) 525 71 18 of 06 42 90 94 96