Zjawiska termiczne w zimnych gazach atomowych

Badania nad właściwościami gazów kwantowych rozwijają się dynamicznie od 1995 r., kiedy to po raz pierwszy doświadczalnie otrzymano kondensat Bosego-Einstaina. Realizacja projektu finansowanego w konkursie MAESTRO 2 pozwoliła w istotny sposób rozszerzyć dotychczasową wiedzę w tej dziedzinie. Doświadczenia z kondensatem w czystej postaci umożliwiają badania zjawisk kwantowych w dużych zespołach atomów, dzięki czemu możliwe jest rozwijanie teoretycznego opisu zjawisk występujących w gazach kwantowych. Badania prowadzone w ramach projektu Zjawiska termiczne w zimnych gazach atomowych były realizowane w ścisłej współpracy z kilkoma wiodącymi europejskimi grupami doświadczalnymi, dzięki czemu polski zespół badawczy umocnił swoją międzynarodową pozycję.

fot. Michał Łepecki Wśród najciekawszych wyników, jakie uzyskano, znajduje się m.in. odkrycie ciemnych solitonów w gazie z długozasięgowym oddziaływaniem dipolowym. Solitony to niezniszczalne zaburzenia falowe rozchodzące się w ośrodkach nieliniowych bez zmiany kształtu na dużych odległościach. Odkryte solitony są wyjątkowe, gdyż mogą mieć kształt różny od tego, który jest występuje w przypadku typowego kondensatu. Ponadto oddziałują na odległość oraz inaczej oscylują w pułapkach harmonicznych, w jakich prowadzi się doświadczenia z takimi gazami. W 2013 r. współpracująca z polskim zespołem grupa doświadczalna prof. Tilmana Pfau ze Sztuttgartu wzbudziła pojedynczy atom rubidu z kondensatu do bardzo wysokiego stanu wzbudzonego, który nazywany jest stanem Rydberga. Atom w takim stanie ma rozmiary kilku mikronów i jest porównywalny z rozmiarami samego kondensatu. We współpracy z grupą prof. Pfau opracowano teoretyczny model tego złożonego zjawiska, w którym najciekawsza jest propozycja obrazowania orbitala rydbergowskiego elektronu poprzez jego ślad w rozkładzie gęstości kondensatu.

W szeregu prac rozwinięto elementarne, ale numerycznie bardzo złożone metody ścisłego opisu układów niewielkiej liczby atomów w pułapce. Wśród wielu uzyskanych wyników na szczególną uwagę zasługuje odkrycie korelacji dwucząstkowych (pojawiania się par) w układzie dwu rodzajów przyciągających się fermionów. Można tu zaobserwować analogię ze zjawiskiem par Coopera w fizyce ciała stałego. Ponad to za pomocą metody funkcjonału gęstości opisano tzw. zjawisko Stonera. Polega ono na tym, że przy odpowiednio silnym odpychaniu w układzie dwóch rodzajów fermionów w kulistej pułapce może nastąpić rozdzielenie składników, aby zminimalizować energię oddziaływania. Okazało się, że w rachunkach należy uwzględnić zwykle pomijane człony gradientowe, dzięki czemu udało się wykryć sekwencję dwu kwantowych przejść fazowych. W pierwszym zachowana jest sferyczna symetria układu, zaś w drugim pojawia się przypadkowa powierzchnia rozdziału łamiąca tę symetrię. Badając statystykę różnicy obsadzeń kondensatu rozdzielanego barierą w sposób nagły, posłużono się wypracowaną przez zespół prof. Rzążewskiego metodą pól klasycznych. W rezultacie uzyskano zaskakujący wynik pokazujący, że statystyka ta zależy od długości impulsu światła użytego do monitorowania układu. Dowodzi to, że w mechanice kwantowej pomiar jest rzeczą nieprzewidywalną i tajemniczą. Uzyskany wynik będzie potwierdzany lub obalany w dalszych pracach badawczych.