Układ doświadczalny, fot. Uniwersytet we Fryburgu
Naukowcy z Wydziału Fizyki UW pod kierunkiem dra hab. Michała Tomzy i grupy doświadczalnej 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 „Nature”. Publikacja została dodatkowo wyróżniona na okładce czasopisma.
Dr hab. Michał Tomza jest fizykiem i chemikiem, specjalizuje się w kwantowym opisie materii w ultraniskich temperaturach, w tym w teorii oddziaływań i zderzeń ultrazimnych atomów, jonów i cząsteczek. W 2020 otrzymał nagrodę NCN w dziedzinie nauk ścisłych i technicznych za opis teoretyczny oddziaływań i zderzeń pomiędzy ultrazimnymi atomami, jonami i cząsteczkami. Badania przedstawione w „Nature” są najważniejszym 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. Ich współautorami są członkowie grupy badawczej, stworzonej przez niego na Uniwersytecie Warszawskim – doktorant Dariusz Wiater i magistrantka Agata Wojciechowska, współpracownik z Wydziału Fizyki UW dr Krzysztof Jachymski oraz naukowcy z niemieckiego ośrodka.
Kwantowa natura świata w mikroskali
Świat ma kwantową naturę, której jednak na co dzień nie obserwujemy.
Laboratorium na Wydziale Fizyki, fot. M. Kaźmierczak/Uniwersytet Warszawski
Do jej ujawnienia pomocne jest znaczne obniżenie temperatury, pozwalające na pojawienie się zjawisk takich jak nadciekłość czy nadprzewodnictwo. Dobrym przykładem kwantowej materii są również ultrazimne gazy atomów schłodzone do ułamka stopnia powyżej zera bezwzględnego. W takich warunkach oddziaływania pomiędzy atomami można kontrolować za pomocą pól elektromagnetycznych, wykorzystując zjawisko rezonansów Feshbacha.
Magnetyczne rezonanse Feshbacha znacząco zwiększają częstość zderzeń w momencie dostrojenia energii stanów molekularnych do energii zderzających się atomów. Naukowcom z Uniwersytetu we Fryburgu oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego udało się po raz pierwszy zaobserwować i wyjaśnić takie rezonanse pomiędzy pojedynczym jonem i ultrazimnymi atomami. W doświadczeniu rezonanse obserwowano jako wzrost prawdopodobieństwa utraty jonu na skutek jego reakcji z parami atomów dla konkretnych wartości pola magnetycznego.
Udało się również zademonstrować wzrost częstości zderzeń dwuciałowych w pobliżu rezonansu, co umożliwia efektywne schłodzenie jonu. Analiza teoretyczna pozwoliła na określenie nieznanych dotąd parametrów oddziaływań, ale też na przewidzenie pozycji rezonansów, których początkowo eksperyment nie wykrył.
Otwarta droga do kolejnej generacji eksperymentów
Grupa badawcza M. Tomzy, fot. P. Kulik
Wcześniej we współpracy grupy dra Tomzy z grupą doświadczalną prof. Rene Gerritsmy z Uniwersytetu w Amsterdamie udało się po raz pierwszy schłodzić pojedynczy jon zanurzony w ultrazimnym gazie atomów do reżimu kwantowego zderzeń jon-atom i zaobserwować rezonanse kształtu. Wyniki tamtej współpracy zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Physics” w zeszłym roku i były częścią dorobku za który badacz został nagrodzony Nagrodą NCN.
Granty NCN wraz z opisami projektów.
Wypowiedź w trakcie uroczystości wręczenia Nagrody NCN 6 października 2021 roku