Atomaire Kwantumvloeistoffen
Atomaire gassen kunnen worden ingevangen in magneto-optische vallen en afgekoeld tot op enkele miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt. Daarbij komt de kwantummechanische aard van de deeltjes naar boven: in Bose-Einstein condensaten en fermionische superfluïda worden de kwantummechanische eigenschappen die gewoonlijk slechts enkel op heel kleine schaal zichtbaar zijn, overgedragen naar de ganse wolk atomen. In experimenten over de hele wereld worden zulke atomaire kwantumgassen gemaakt, en het blijkt dat experimentatoren heel veel controle hebben op dit macroscopische kwantumsystem: niet enkel de temperatuur en het aantal atomen zijn instelbaar, maar ook de interactiesterkte tussen de atomen en de geometrie waarin het gas opgesloten zit (2D/3D of in een rooster). Het is mogelijk om de Hamiltonianen die in de kwantummechanica voorkomen, na te bouwen met kwantumgassen, en zo de theorie te testen met ongekende precisie en de systemen te brengen in regimes en onder condities die voorheen onbereikbaar waren. De atomaire kwantumgassen geven hierdoor een hele nieuwe kijk en ongekende mogelijkheden om veeldeeltjes kwantumtheorien te bouwen en te testen, en hier doen we enthousiast aan mee, met ondermeer de volgende onderzoeksthema's:
- Fermionische superfluïditeit : enkel bosonische atomen kunnen met z'n allen in dezelfde kwantumtoestand zitten. Toch kan je ook fermionische atomen superfluïde maken, op voorwaarde dat ze twee aan twee kunnen opparen. Dit kan niet alleen via het vormen van moleculen, maar ook via de zwakker gebonden Cooperparen. Die laatste staan ook centraal bij supergeleiding. De atomaire gassen laten je toe om Cooperparen te onderzoeken onder nieuwe condities, bijvoorbeeld:
- als er niet evenveel paringspatners zijn ('spin imbalance', FFLO toestanden),
- als ze in een 2D vlak worden ingeperkt (Kosterlitz-Thouless overgang & pseudogap)
- als er spin-baan koppeling is
- en als er competitie met itinerant ferromagnetisme is
- Een vergelijking voor de ordeparameter : Fermionische superfluïda worden beschreven door een macroscopische golffunctie die als ordeparameter dienst doet. Dat is ook zo voor Bose-Einstein condensaten en voor supergeleiders. Voor de condensaten moet de ordeparameter voldoen aan de Gross-Pitaevskii vergelijking, en voor supergeleiders is er de Ginzburg-Landau vergelijking. We zijn er in geslaagd om ook voor de fermionische superfluïda zo'n vergelijking te vinden, die de Ginzburg-Landau vergelijking voor supergeleiders veralgemeent naar alle temperaturen. En nu kunnen we volop toepassingen uitwerken door onze energiefunctionaal voor verschillende toepassingen te minimizeren.
- Kwantumturbulentie : Klassieke turbulentie beschrijft hoe energie, ingebracht in een vloeistof op grote schaal, herverdeeld wordt naar de microscopische schaal doordat grote draaikolken opbreken in steeds kleinere draaikolken. Kwantummechanisch is er een grens: er is een kleinste, gekwantiseerde, draaikolk of vortex. We onderzoeken hoe het verhaal van turbulentie voortgaat in het kwantumregime.