Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Uniwersytetu we Fryburgu po raz pierwszy zaobserwowali rezonanse Feshbacha i wyjaśnili takie rezonanse pomiędzy pojedynczym jonem i ultrazimnymi atomami. Artykuł podsumowujący wyniki badań ukazał się w czasopiśmie ?Nature?. Publikacja została dodatkowo wyróżniona na okładce czasopisma jako najważniejsza w wydaniu. Prace były współfinansowane przez FNP ze środków pochodzących z programu Inteligentny Rozwój.

Badania były prowadzone przez dra hab. Michała Tomzę, laureata programów START, HOMING i FIRST TEAM, wraz z doktorantem Dariuszem Wiaterem, magistrantką Agatą Wojciechowską oraz dr. Krzysztofem Jachymskim, laureatem programu START, z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, wspólnie z grupą doświadczalną prof. Tobiasa Schaetza z Uniwersytetu we Fryburgu w Niemczech.

Świat ma kwantową naturę, której jednak na co dzień nie obserwujemy. 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 Polski i Niemiec 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.

Ultrazimne układy jon-atom mają wiele potencjalnych zastosowań, takich jak obliczenia i symulacje kwantowe, wymagają jednak uzyskania znacznie niższych temperatur niż gazy neutralnych atomów. Kilka grup doświadczalnych latami pracowało na ten sukces przy wsparciu obliczeniowym m. in. fizyków z Warszawy. Wyniki otwierają drogę do kolejnej generacji eksperymentów, w których stan kwantowy jonu będzie można znacznie łatwiej kontrolować. Niższa energia i dłuższy czas życia jonu pozwolą na zbadanie nowych zjawisk i wytworzenie nowych interesujących stanów kwantowej materii, które z jednej strony pomogą lepiej zrozumieć kwantową naturę świata, a z drugiej strony będę kolejnym elementem rodzących się technologii kwantowych. Można spodziewać się, że rezonanse Feshbacha pomiędzy jonem i atomami zostaną w krótkim czasie zaobserwowane również dla innych kombinacji pierwiastków.

Badania przedstawione w pracy były częściowo finansowane przez projekt ?Inżynieria kwantowa nowych ultrazimnych złożonych układów molekularnych: od dwuatomowych do wieloatomowych cząsteczek?, który jest realizowany przez dra Tomzę w ramach grantu z programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Więcej informacji:

• Artykuł ?Obserwacja rezonansów Feshbacha pomiędzy pojedynczym jonem i ultrazimnymi atomami?, który ukazał się w Nature
• Strona grupy badawczej dra Tomzy
• Opis projektu realizowanego przez dra Tomzę w ramach grantu FIRST TEAM

Program FIRST TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.