Dr Michał Tomza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, laureat programów START, HOMING* i FIRST TEAM*, wspólnie z doktorantem Dariuszem Wiaterem oraz badaczami z Uniwersytetu w Amsterdamie, po raz pierwszy uzyskali ultrazimną mieszaninę jonów i atomów w reżimie kwantowym. Osiągnięcie to otwiera drogę m.in. do stworzenia komputera kwantowego opartego na jonach chłodzonych ultrazimnymi atomami. Wyniki prac opublikowało czasopismo Nature Physics.
Ultrazimna syntetyczna materia to jony, atomy i cząsteczki oraz ich mieszaniny otrzymywane i kontrolowane w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Takie ultrazimne układy służą do nowatorskich badań fundamentalnych, dotyczących własności kwantowych, a także otwierają drogę do wykorzystania technologii kwantowych w praktyce.
W ciągu ostatnich lat fizycy opracowali techniki tworzenia ekstremalnie zimnych atomów i jonów. Te bardzo zimne cząstki mają wiele zastosowań, na przykład można je wykorzystać jako elementy składowe komputerów kwantowych i bardzo precyzyjnych zegarów. Idealnie, do takich zastosowań, mogłyby również nadać się mieszaniny bardzo zimnych atomów i jonów, ale jak dotąd, pomimo wielu starań, możliwe było jedynie osobne schłodzenie poszczególnych rodzajów cząstek do wymaganych temperatur.
W opublikowanym artykule polscy i holenderscy naukowcy przedstawili połączone teoretyczne i eksperymentalne wyniki badań, w których udało się stworzyć taką ultrazimną mieszaninę po raz pierwszy. Było to możliwe między innymi dzięki użyciu ciężkich jonów iterbu zanurzonych w ultrazimnym gazie lekkich atomów litu. Analiza teoretyczna, prowadzona przez dr. Tomzę i mgr. Wiatera, pozwoliła potwierdzić, że rzeczywiście osiągnięto reżim kwantowy zderzeń jon-atom. Dodatkowo, poprzez zbudowanie kompletnego modelu teoretycznego, który odtwarzał wyniki pomiarów, udało się po raz pierwszy określić parametry zderzeń kluczowe do opisu dynamiki badanej mieszaniny. Otrzymane wyniki są efektem kilkuletniej współpracy dr. Tomzy z grupą doświadczalną dr. Gerritsmy z Uniwersytetu w Amsterdamie i były realizowane w ramach grantu otrzymanego przez dra Tomzę w programie FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (POIR).
Uzyskane wyniki otwierają wiele nowych możliwości, takich jak kontrola zderzeń pomiędzy jonami i atomami przy użyciu pola magnetycznego. Otrzymana ultrazimna kwantowa mieszanina jonów i atomów może służyć również jako nowa platforma do kwantowych symulacji fizyki wielu ciał. Inną możliwością może być realizacja komputera kwantowego opartego na jonach chłodzonych ultrazimnymi atomami.
Dr Michał Tomza jest fizykiem i chemikiem kwantowym. Studia magisterskie ukończył na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, a następnie odbywał międzynarodowe studia doktoranckie w trybie „cotutelle” równocześnie na Uniwersytecie Warszawskim i Uniwersytecie w Kassel w Niemczech. Pracował naukowo m.in. w Instytucie Fotoniki (ICFO) w Barcelonie w Hiszpanii, Kavli Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara w USA, na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver w Kanadzie i na Uniwersytecie w Granadzie w Hiszpanii.
*Programy współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Więcej informacji:
- link do publikacji w Nature Physics
- link do grupy badawczej dr Tomzy
- link do informacji o badania prowadzonych w ramach grantu FIRST TEAM
Zdjęcie: Magdalena Wiśniewska-Krasińska