Ultrakalla droppar gör att kvantteorier kan testas praktiskt

Genom att kyla ner atomer till extremt låga temperaturer går det att skapa ett slags kvantfysikaliska droppar. Denna helt nya materia utforskas nu av Wallenberg Scholar Stephanie Reimann, som ser en fantastisk chans att testa dagens kvantteorier i praktiken.

Stephanie Reimann

Professor i matematisk fysik

Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Lunds universitet

Forskningsområde:
Bose Einstein-kondensat, nanostrukturerade kvantsystem, many-body physics

Vissa typer av atomer kan genom att kylas ner till mycket låga temperaturer bilda ett så kallat Bose Einstein-kondensat. Det är ett tillstånd där atomernas inre energi är så liten att egenskaper uppstår som man aldrig skulle se vid högre temperaturer. Stephanie Reimann, professor vid Lunds universitet och forskare vid avdelningen för matematisk fysik och NanoLund, utforskar nu ett nyupptäckt fenomen i kondensatet: ett slags självformande droppar med mycket låg densitet. Ett slags ”kvantvätska” som först förutsågs i teorin, och som flera forskargrupper nyligen sett i experiment.

– Den här materian har helt andra egenskaper än vad vi är vana vid från den klassiska fysiken.

De ultrakalla kvantdropparna uppstår bara under mycket speciella omständigheter. När Stephanie Reimann förklarar hur det går till utgår hon från något som kallas medelfältsteori, mean field theory. Det är ett sätt att studera komplicerade system med många partiklar genom att i beräkningar förenkla den påverkan som varje partikel utsätts för av de övriga. Påverkan summeras till något som kallas ”medelfältet”, mean field. I försöket med dropparna har forskarna lyckats balansera alla kända inblandade krafter så att de tar ut varandra och medelfältet nästan försvinner. Då blir det möjligt att se en mycket svag kraft, ett rent kvantfenomen, som får dropparna att bildas.

– Vi har alltså hittat ett sätt att ta bort huvuddelen av interaktionerna mellan partiklarna så att en effekt som normalt är pytteliten faktiskt kan studeras för första gången, säger Stephanie Reimann.

”Det viktigaste med att bli Wallenberg Scholar är att det ger mig frihet att under lång tid verkligen kunna sjunka ner i mitt ämne, bli absorberad av det, utan att behöva distraheras av att söka anslag eller leverera ett visst resultat. Det gör det möjligt för mig att göra vetenskap, helt enkelt.”

Experimentet kan visa om förenklingarna stämmer

Den här svaga interaktionen håller atomerna samman i mycket glesa droppar, där atomerna sitter så långt ifrån varandra att varje droppe får lägre densitet än luft. En av dropparnas märkliga egenskaper är att om de utsätts för en störning som tillför energi, till exempel skakas om, så blir de inte varmare. Istället gör de sig av med överskottsenergi genom att släppa ifrån sig enstaka atomer, och behåller på så vis sin ultralåga temperatur. Det fenomenet kan visa sig praktiskt användbart, till exempel inom områden som kylning eller suprafluiditet. Men just nu är det inte de praktiska användningsområdena som intresserar Stephanie Reimann mest, utan möjligheten till nya typer av beräkningar.

Trots att vi idag har datorer med enorm kapacitet är det extremt svårt att räkna på system med många inblandade atomer. För att beräkningarna ens ska vara möjliga krävs förenklingar och approximationer. Mycket av kvantteorin bygger på det. Men ingen kan vara helt säker på hur bra förenklingarna motsvarar verkligheten förrän man lyckas skapa ett praktiskt experiment och testa dem. Ett sådant experiment är de ultrakalla kvantdropparna.

– Det här ger oss alltså möjligheten att kontrollera hur exakta våra formler är. Det är otroligt spännande, som en ny lekplats för att pröva och vidareutveckla våra teorier och metoder!

Nu har hennes forskargrupp tillsammans med tyska kollegor fått en artikel publicerad i Nature där de bland annat visar hur system med bara ett fåtal atomer bygger upp kvantsystem med ett mycket stort antal atomer, på ett sätt som liknar den välkända Higgs-mekanismen i partikelfysiken. Det har forskarna sett genom att göra beräkningar på mindre delar av komplexa system.

Som Wallenberg Scholar ska Stephanie Reimann också arbeta med något kallat dipolära kvantgaser. Det är gaser av atomer som försätts i ett speciellt tillstånd där de hålls infångade av magnetfält och utsätts för tryck. Då kan exempelvis ett så kallat ”superfast” tillstånd uppstå, där ämnet på samma gång har suprafluiditet och en ordnad, periodisk struktur som liknar den i en kristall.

En vacker teori, och en värld full av överraskningar

Stephanie Reimann har inte alltid drömt om forskning. Länge ville hon bli cellist ”men man måste öva så himla mycket… det hade varit alldeles för krävande”, säger hon och skrattar. Hon har aldrig slutat helt med cellon, och några dagar efter intervjun ska hon spela vid en konsert. Ändå är hon nöjd med att forskning blev hennes huvudsyssla.

– Kvantfysik är ett underbart fält. Det är en sådan vacker teori. Fast vi har utvecklat den i hundra år är den fortfarande fullt av överraskningar. En hel värld av fenomen som är så annorlunda från all fysik som vi ser om kring oss.

Hon disputerade i Regensburg i Tyskland och gjorde sedan två perioder som postdoktor, först i Köpenhamn, sedan i finska Jyväskylä. År 2000 kom hon till Lunds universitet och säger att hon har haft tur med att få forskningsfinansiering.

– Det är annars rätt problematiskt, både här och i andra länder. När en del av lönen kommer från externa finansiärer saknar man stabilitet. Forskarlivet blir som en konstig kapplöpning. Det är därför vi behöver finansiärer som Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som ger frihet och tid att tänka djupt. Med bra forskningsanslag är det här en härlig plats för en fysiker. Avdelningen för matematisk fysik har expanderat mycket nyligen, med fina kollegor och en väldigt bra teamkänsla. Och Lund är en underbar akademisk stad att vara i.

Text Lisa Kirsebom 
Bild Stephanie Reimann