8 april 2010
Stabiele wolkjes van atomen door toevallige verliezen
Toevallige botsingen van drie atomen tegelijk in een wolk van deeltjes
leiden weliswaar tot verlies van deeltjes uit de wolk, maar zorgen er
ook voor dat het aantal overgebleven atomen juist scherper bepaald is,
doordat de atomen steeds met drie tegelijk wegspringen. Dit ontdekten
Shannon Whitlock, Caspar Ockeloen en Robert Spreeuw van het Van der
Waals-Zeeman instituut (UvA) in een door FOM en de EU gefinancierd
onderzoek. Hoewel deeltjesverlies vaak als nadelig wordt gezien, helpt
het in dit geval om ensembles te prepareren met een welgedefinieerd
aantal atomen. Zulke ensembles bieden in de toekomst mogelijkheden
voor quantumcomputers en informatieverwerking gebaseerd op qubits. De
onderzoekers publiceerden hun resultaten op 26 maart in Phyical Review
Letters.
Figuur 1. Rooster met atoomwolkjes
vergroten Figuur 1. Rooster met atoomwolkjes
Op de door de onderzoekers ontwikkelde atoomchip, zit een magnetisch
patroon waardoor een rooster ontstaat van honderden gevangen koude
wolkjes atomen, zwevend boven het oppervlak.
Figuur 2. Fluctuatie van aantallen atomen
vergroten Figuur 2. Fluctuatie van aantallen atomen
Door de drie-deeltjes-botsingen zijn de fluctuaties rond het
gemiddelde aantal atomen in een val (na zekere tijd) theoretisch zo'n
zestig procent van wat je verwacht als de atomen onafhankelijk van
elkaar de wolk verlaten. De onderzoekers vonden een waarde van 53
procent.
De onderzoekers ontwikkelden een nieuw type atoomchip waarin ze in het
Amsterdam nanoCenter een patroon etsten in een dunne, magnetische
laag, ongeveer van het soort dat in harde schijven wordt gebruikt. Dat
patroon zorgt voor een rooster van magnetische microtraps, kleine
valletjes waarin koude wolkjes atomen gevangen kunnen worden. Zo
ontstaat een rooster van honderden atoomwolkjes, met elk zo'n vijftig
tot driehonderd atomen, die tien micrometer boen het oppervlak zweven.
Door de magnetische structuur worden de atomen binnen een wolk dicht
op elkaar geperst, waardoor de kans op - gewoonlijk vrij zeldzame -
drie-deeltjes-botsingen toeneemt.
Wanneer drie atomen tegelijk op elkaar botsen, komt door
molecuulvorming zoveel energie vrij dat ze, alle drie, de wolk atomen
verlaten. Daardoor is op deze atoomchip de frequentie waarmee atomen
hun wolk verlaten afhankelijk van het aantal atomen in de wolk. Dit
maakt de statistiek van de deeltjesaantallen in een wolk anders dan in
het geval dat atomen onafhankelijk van elkaar de wolk verlaten.
Voor hun experiment vulden de onderzoekers het rooster op de atoomchip
met rubidiumatomen die waren afgekoeld tot 3 microKelvin, vlak boven
de temperatuur waar Bose-Einstein condensatie optreedt. Na een
bepaalde tijd maakten ze met behulp van een laser en CCD camera een
afbeelding van het rooster waarmee ze konden meten hoeveel atomen er
nog over waren in elk van de vallen. Door dit vele malen te herhalen,
konden ze voor iedere val niet alleen het gemiddelde aantal atomen
meten, maar ook de fluctuaties rond dat gemiddelde. Die fluctuaties
waren zo'n 53 procent van de te verwachten fluctuaties wanneer atomen
onafhankelijk van elkaar hun wolk zouden verlaten. De resultaten zijn
in goede overeenstemming met de theorie die voorspelt dat door de
drie-deeltjes-botsingen de fluctuaties rond het gemiddelde zo'n zestig
procent zijn van de fluctuaties zónder drie-deeltjes-botsingen.
De drie-deeltjes-botsingen zorgen er op deze manier voor dat het
aantal atomen in een wolk op de atoomchip vrij nauwkeurig bepaald is.
Dat opent de weg naar toepassingen in de quantuminformatieverwerking.
Door de spintoestand van de atomen in een wolk te beïnvloeden, is het
bijvoorbeeld mogelijk om een rooster van qubits te maken. De volgende
stap die de onderzoekers willen zetten, is om een wisselwerking te
bereiken tussen de atomen uit twee naburige atoomwolken.
Contactinformatie
Robert Spreeuw
telefoon: (020) 525 51 62
e-mail: r.j.c.spreeuw@uva.nl
Referentie
Sub-Poissonian Atom-Number Fluctuations by Three-Body Loss in
Mesoscopic Ensembles, Physical Review Letters 104, 120402 (2010).