Deze ontdekking opent de deur naar tientallen toepassingen op het gebied van exotische materie.
Halverwege de jaren twintig van de vorige eeuw theoretiseerden twee absolute grootheden uit de natuurkunde, Satyendra Nath Bose en Albert Einstein, over het bestaan van een vreemde kwantumtoestand van materie die uiteindelijk naar hen zou worden vernoemd: het Bose-Einstein-condensaat (BEC). Deze grootheden uit de twintigste eeuw stelden dat als deeltjes werden afgekoeld tot ultrakoude temperaturen – slechts enkele fracties van een graad boven het absolute nulpunt (-273,15 °C) – en op lage dichtheden werden gehouden, ze zouden samensmelten tot een ononderscheidbaar geheel.
We spoelen 70 jaar vooruit, en wetenschappers van de Universiteit van Colorado in Boulder bewezen dat Einstein en Bose gelijk hadden. Sindsdien zijn BEC’s een essentieel hulpmiddel geworden voor het onderzoeken van de kwantumeigenschappen van atomen, en een reeks doorbraken – of het nu gaat om het nog verder afkoelen van de deeltjes of het vormen van diatomische moleculen – hebben ze steeds bruikbaarder gemaakt in het onderzoek naar de fundamentele fysica die het universum beheerst.
Het koudste dipolaire BEC dat tot nu toe is gecreëerd
Nu hebben natuurkundigen van de Columbia University, in samenwerking met de Radboud Universiteit in Nederland, de volgende stap gezet in deze honderdjarige reis van het BEC door een natrium-cesiumcondensaat te creëren dat slechts vijf nanoKelvin boven het absolute nulpunt ligt. Hoewel dat een indrukwekkend lage temperatuur is, is het belangrijkste aspect van dit geavanceerde natuurkundige experiment dat het resulterende BEC dipolair is, dat wil zeggen dat het zowel een positieve als een negatieve lading heeft.
Het team gebruikte een eerder door vakgenoten beoordeelde techniek waarbij microgolven worden gebruikt om “de BEC-drempel” te overschrijden, aldus een persbericht. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
“Door deze dipolaire interacties te beheersen, hopen we nieuwe kwantumtoestanden en fasen van materie te creëren”, aldus Columbia-postdoc Ian Stevenson, medeauteur van het onderzoek, in een verklaring.
Normaal gesproken worden microgolven geassocieerd met het verwarmen van dingen, maar medewerker aan de studie Tijs Karman van de Radboud Universiteit suggereerde dat microgolven kunnen fungeren als schilden, die moleculen in wezen beschermen tegen destructieve botsingen terwijl de warme moleculen uit het monster worden verwijderd, wat een algemeen koelend effect oplevert. Het team testte de microgolftechniek in 2023, maar deze nieuwe studie voegde een tweede microgolfveld toe, dat effectiever bleek te zijn voor het creëren van de gewenste BEC.
“We hebben echt een goed begrip van de interacties in dit systeem, wat ook cruciaal is voor de volgende stappen, zoals het onderzoeken van de dipolaire fysica van veeldeeltjes”, aldus Karman, medeauteur van de studie. “We hebben schema’s ontwikkeld om de interacties te controleren, deze theoretisch getest en in het experiment geïmplementeerd. Het was een ongelooflijke ervaring om deze ideeën van ‘bescherming’ met microgolven in het laboratorium te zien worden gerealiseerd.”
Implicaties en nieuwe grenzen van de kwantumfysica
De creatie van dit dipolaire BEC opent de deur naar de creatie van vele andere vormen van exotische materie, zoals exotische dipolaire druppels, zelforganiserende kristallijne fasen en dipolaire spinvloeistoffen in optische netwerken, aldus het artikel. Maar dit zijn slechts enkele van de tientallen mogelijke toepassingen die dit nieuwe BEC zou kunnen mogelijk maken. Aangezien dit experiment een nauwkeurige controle over kwantuminteracties mogelijk maakt, zouden volgens Jun Ye, ultrakoudwetenschapper aan de UC-Boulder, ook de gevolgen voor de kwantumchemie vergaand kunnen zijn.
De weinig bekende vijfde toestand van materie blijft ons meer dan een eeuw na zijn verbazingwekkende introductie in de bekende wereld van de fysica nog steeds verrassen.
