Vi er med ved fødslen af en kvasipartikel

Der findes myriader af forskellige partiker i naturen. På et fundamentalt niveau består alt af elementarpartikler som f.eks. elektroner eller kvarker, og atomer og molekyler udgør endvidere byggestenene for al stof her på jorden. De såkaldte kvasipartikler er måske mindre kendte men mindst lige så vigtige. Kvantemekanikken fortæller os nemlig, at eksiterede tilstande af systemer, der i sig selv består af trillioner af partikler, kan opføre sig som én enkelt partikel, der dog typisk har ret bizarre egenskaber som f.eks. en negativ masse. Man kalder disse tilstande for kvasipartikler, og deres eksistens har vidtrækkende konsekvenser for vores forståelse af naturen. Kvasipartikler er blevet observeret i talrige eksperimenter, typisk ved at se på de spor, de efterlader sig i et materiale. Det har dog indtil for nyligt været en fjern drøm at se direkte, hvordan kvasipartikler rent faktisk skabes ud fra de trillioner af underliggende partikler.

Tre forskergrupper fra “Center for Complex Quantum Systems (CCQ)” ved Aarhus Universitet har nu i samarbejde fået drømmen til at gå i opfyldelse. Eksperimentet, ledet af Jan Arlt, er baseret på en eksotisk tilstand af stof – et såkaldt Bose-Einstein kondensat, der dannes ved ekstremt lave temperaturer, ca. en million gange koldere end det interstellare rum. "Ved at ændre kvantetilstanden for nogle få atomer i kondensatet kunne vi observere dannelsen af en kvasipartikel kaldet Bose-polaronen” forklarer Jan Arlt. Bose-polaronen spiller en central rolle i naturen, fordi den dannes, når en elektron vekselvirker med omgivelserne i mange helt almindelige materialer. Den bestemmer derfor egenskaberne af en lang række stoffer, ofte med teknologiske anvendelser, såsom ledningsevne og superledning.   

V.h.a. sofistikeret laser- og kvanteteknologi har Jan Arlts gruppe observeret, hvordan Bose-polaronen dannes – de har så at sige taget en ”film” af dens fødsel i Bose-Einstein kondensatet. Dette er helt umuligt i konventionelle materialer og kan heller ikke simuleres af selv den kraftigste computer. Georg Bruun, som leder af en af teorigrupperne i forskningssamarbejdet, forklarer at ”På den måde illustrerer Aarhus-eksperimentet, hvordan Bose-Einstein kondensater kan bruges som kvantesimulatorer til at udforske komplekse materialers egenskaber, der ligger udenfor klassiske computeres rækkevidde. Vi har allerede nu fået vigtig ny viden fra eksperimentet, som forbedrer vores forståelse af kvasipartikler betragteligt".

”Den evne til at måle Bose-polaronens dynamiske egenskaber, vi har demonstreret i Aarhus, udgør et markant fremskridt med vidtrækkende perspektiver” siger Thomas Pohl, der er leder af CCQ og desuden står bag den anden teorigruppe i samarbejdet. Grundforskningscenteret vil nu gå videre med forskningen og planlægger at manipulere kvasipartiklerne direkte med lasere. Forskerne håber på den måde at bruge kvanteteknologi og simulering til at kontrollereog designe materialer med helt nye egenskaber, der kan have vidtrækkende teknologiske perspektiver. 

Artiklen i Nature Physics kan hentes her.

Billedtekster:

Et atom (rød kugle) skaber bølger i det omkringliggende Bose-Einstein kondensat (blå baggrund), hvorved en kvasipartikel skabes. Processen ligner den, hvormed en elektron bevæger sig igennem et fast stof samtidig med, at den deformerer den underliggende krystalstruktur (indsæt). Illustration: CCQ, AU.

Den del af Aarhus-eksperimentet, hvor atomerne i første omgang fanges og køles ned. Foto: Lars Kruse/AU foto.