Design and control of new states of matter of cold atoms


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2009
End date: 31/12/2012
Funding: 3048000 SEK


Description

Den moderna atomfysiken har gått från att passivt studera de atomer som förekommer i naturen, till att aktivt bygga och manipulera helt nya materietillstånd. Atomer kan nu användas till att studera fundamental fysik av betydelse långt utanför atomfysiken. De nya tillstånden kräver oftast att atomerna är kylda ner till mikro-kelvinområdet, och att de är fångade i atomfällor. Man använder laserljus och andra elektromagnetiska fält för att kyla, fånga och manipulera atomerna. Jag kommer att teoretiskt studera tre system som experimenteras på i olika delar av världen: 1) Antimaterien är den vanliga materiens spegelbild, d.v.s. för varje vanlig partikel existerar det en antipartikel. Den är i stort sett identisk, men skiljer sig genom en motsatt elektrisk laddning. Materia och antimateria bör ha skapats i lika stora mängder vid universums födelse. Ändå ser vi bara vanlig materia runt omkring oss. Vart tog all antimateria vägen? Kanske är spegelbilden inte perfekt - en liten asymmetri mellan materia och antimateria skulle kunna förklara varför antimaterien försvann. För att svara på denna fråga arbetar två experiment vid det europeiska laboratoriet CERN med att skapa atomer av antimateria. Målet är att jämföra antiatomernas spektrum med vanliga atomers, för att på så vis testa symmetrin mellan materia och antimateria. Jag arbetear tillsammans med antiatomexperimentet ALPHA med simuleringar av hur antiatomer formas och beter sig. Processen är komplicerad eftersom antiatomerna skapas i kollisioner mellan antiprotoner och antielektroner (positroner) som hålls fast av starka magnetiska och elektriska fält. De antiatomer som skapas måste stabiliseras genom att bindas samman hårdare, annars slits de sönder vid nästa kollision. Antiatomerna måste också antingen skapas mycket kalla, eller snabbt kylas, för att överhuvud taget kunna fångas i magnetfällor. Jag studerar också kollisioner mellan antiatomer och vanliga atomer. Vid kollisioner kan atomen och antiatomen förintas till energi, de kan skapa nya materie-antimaterie system, eller så kan atomen och antiatomen helt enkelt studsa isär igen. 2) För drygt 35 år sedan förutsade V. Efimov att kalla system av tre partiklar har universella egenskaper, oberoende av vilken sorts partiklar som studeras. En liknande universell teori för två ultrakalla atomer används i stort sätt i alla beskrivningar av atomers växelverkan i moln av ultrakalla atomer (t.ex. i s.k. Bose-Einsteinkondensat). En utvidgning till tre partiklar skulle därför vara mycket användbar. En konsekvens av Efimovs teori är att det existerar ett sorts bundet tre-partikeltillstånd med mycket speciella egenskaper. Efimovs teori har först nyligen bekräftats experimentellt; först år 2006 hittades ett sådant tillstånd i moln av ultrakalla cesiumatomer. Var går gränsen för Efimovs teoris giltighet, och hur kan vi utnyttja dessa tre-atomegenskaper till att skapa ny materietillstånd? Genom att bättre förstå de experimentella resultaten kan vi lära oss mycket. Jag vill tilllämpa Efimovs teori på ultrakalla atomer och jämföra resultaten både med experiment och med mer fullskaliga beräkningar som använder modeller av atomernas växelverkan. Jag vill också se om man i experiment skulle kunna styra över styrkan i tre-atomväxelverkan. För två atomer kan man göra detta, vilket har lett till en rad nya framsteg, t.ex. Bose-Einsteinkondensat av molekyler med två atomer. En ev. styrning skulle öppna nya möjligheter till att manipulera atomer och skapa nya tillstånd. 3) Med lasrar kan man konstruera periodiska potentialer för atomer, s.k. optiska kristallgitter. De kan användas till att kyla atomer ner till mikro-kelvinområdet (s.k. Sisyfoskylning). I samarbete med en experimentell grupp i Umeå har jag arbetat med att bättre förstå hur denna kylning går till. Jag har utvecklat metoder för att simulera atomernas rörelser i det optiska kristallgittret. Genom att beräkna atomernas hastighetsfördelningar kan jag bättre förstå hur kylningen går till. Mina simuleringsmetoder ska också fortsätta att utvecklas för att studera annan fundamental fysik. Vi har t.ex. demonstrerat en s.k. Brownsk motor, ett system som omvandlar atomernas slumpmässiga rörelser till rörelse i en av oss vald riktning. Enligt termodynamikens lagar borde detta inte vara möjligt, men det går ändå eftersom atomerna manipuleras så att de inte är i jämvikt.

Last updated on 2017-24-03 at 12:35