Rotation-mediated bosonic Josephson junctions in position and momentum spaces

Stel je een wereld voor waarin atomen, afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, zich niet gedragen als individuele deeltjes maar als een enkele, verenigde materiegolf. In deze staat, bekend als een Bose-Einsteincondensaat, kunnen deze atomen zonder wrijving stromen, net als een superfluïde. Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door hoe deze golven bewegen wanneer ze een barrière tegenkomen, specifiek wanneer ze gevangen zijn in een landschap met twee afzonderlijke dalen, of "putten". Als de barrière tussen de putten laag genoeg is, kunnen de atomen erdoorheen tunnelen, waarbij ze in een ritmische uitwisseling heen en weer bewegen. Dit fenomeen, het Josephson-effect genoemd, is een hoeksteen van de kwantumfysica en wordt al gebruikt in zeer gevoelige apparaten en kwantumcomputers. Decennialang hebben onderzoekers dit effect bestudeerd in de fysieke ruimte waar de atomen zich bevinden, waarbij ze toekeken hoe ze van de ene kant van een val naar de andere springen. Echter, een nieuwere grens is ontstaan: wat als het tunnelen niet plaatsvindt in de fysieke ruimte, maar in de momentumruimte, die beschrijft hoe snel en in welke richting de atomen bewegen? Tot nu toe vereiste het creëren van dit soort momentum-gebaseerd tunnelen complexe opstellingen met atomen met specifieke interne magnetische eigenschappen.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Haifa heeft nu een manier ontdekt om dit ongrijpbare momentum-gebaseerde tunnelen te creëren met een veel eenvoudiger systeem: één enkel type atoom zonder speciale magnetische eigenschappen, simpelweg door de gehele val te laten draaien. In hun studie simuleerden zij een wolk van tien interagerende atomen, gevangen in een dubbele putval, en lieten zij het gehele systeem roteren. Zij ontdekten dat terwijl het te snel draaien van de val de atomen er meestal van weerhoudt om tussen de fysieke putten te bewegen door ze op hun plaats te houden, een slimme aanpassing aan de vorm van de val dit kon overwinnen. Door de geometrie van de val licht te modificeren om de krachten te compenseren die door de rotatie worden gecreëerd, waren zij in staat de stroom van atomen tussen de fysieke putten te herstellen. Nog verrassender was dat deze rotatie een tweede, onzichtbaar tunnelkanaal creëerde. Terwijl het systeem draaide, begonnen de atomen niet alleen te oscilleren tussen de linker en rechter fysieke locaties, maar ook tussen twee verschillende toestanden van beweging in de zijwaartse richting. De rotatie heeft het momentum van de atomen effectief gesplitst in twee afzonderlijke "putten", waardoor er een Josephson-overgang ontstond in het domein van de beweging zelf.

De onderzoekers begonnen met het observeren van wat er gebeurt als een dubbele putval simpelweg wordt rondgedraaid zonder speciale aanpassingen. Zij ontdekten dat naarmate de rotatiesnelheid toenam, het voor de atomen steeds moeilijker werd om van de ene naar de andere kant van de val te tunnelen. Bij een specifieke kritische snelheid stopte het tunnelen volledig en raakten de atomen gevangen in de linker put, een staat die bekend staat als zelfvangst (self-trapping). Dit gebeurde omdat de rotatie een middelpuntvliedende kracht creëerde die fungeerde als een extra, ondoordringbare muur, die de weg tussen de twee fysieke dalen blokkeerde. In dit scenario waren de atomen op hun plaats bevroren, en traden er geen nieuwe momentum-gebaseerde effecten op. Het team realiseerde zich dat ze het potentieel voor momentum-tunnelen moesten ontsluiten, en dat ze de blokkerende werking moesten neutraliseren. Zij bedachten een protocol waarbij zij een zachte, extra duw aan de vorm van de val toevoegden, wat effectief de extra barrière die door de rotatie werd gecreëerd, ophef. Deze aanpassing stelde de atomen in staat om hun fysieke tunneling te hervatten, maar dan met een twist: de rotatie imprinteerde een nieuwe structuur op hun beweging.

Toen de onderzoekers het aangepaste protocol inschakelden en de rotatiesnelheid verhoogden, observeerden zij iets opmerkelijks. De atomen bleven stromen tussen de linker en rechter fysieke putten, maar tegelijkertijd begonnen zij te oscilleren tussen twee verschillende momentumtoestanden in de richting loodrecht op de stroom. In de taal van de natuurkunde had de rotatie een effectief dubbel putpotentiaal in de momentumruimte gecreëerd. De atomen bewogen niet alleen heen en weer in de ruimte, maar wisselden ook tussen een lichte beweging naar links en een lichte beweging naar rechts in hun momentum. Dit dubbele gedrag werd bevestigd door het gemiddelde momentum van de atomen te volgen. Zonder rotatie was het gemiddelde zijwaartse momentum nul. Naarmate de rotatiesnelheid toenam, begon dit gemiddelde momentum tussen positieve en negatieve waarden te oscilleren, wat aangeeft dat de atomen tussen twee verschillende toestanden van beweging tunnelen. Dit effect was zichtbaar zelfs toen de onderzoekers rekening hielden met de complexe interacties tussen de atomen, wat aantoont dat het fenomeen robuust is en niet slechts een eenvoudig gemiddelde gedrag.

De studie onderzocht ook wat er zou gebeuren als de fysieke barrière tussen de twee putten volledig zou worden verwijderd, waardoor één brede val overblijft. Zelfs in een omgeving zonder barrière was de rotatie alleen al voldoende om het momentum-gebaseerde tunnelen te generen. Wanneer het systeem met de juiste snelheid werd gedraaid, splitsten de atomen hun beweging opnieuw in twee verschillende momentumtoestanden en oscilleerden zij heen en weer. Deze bevinding is significant omdat het aantoont dat de momentum-gebaseerde overgang een fundamenteel gevolg is van de rotatie en de geometrie van de val, en niet het resultaat is van de fysieke barrière zelf. De onderzoekers merkten op dat dit gedrag werd waargenomen in hun computersimulaties, die de kwantummechanica van het systeem met hoge precisie modelleerden. Zij vergeleken hun resultaten met eenvoudigere modellen die de complexe interacties tussen atomen negeren, en vonden dat hoewel het basispatroon standhield, de volledige interactie tussen de atomen de tunneling iets minder perfect maakte, een detail dat het belang van het bestuderen van deze systemen met geavanceerde methoden benadrukt.

Dit werk opent een nieuwe deur voor het begrijpen en beheersen van kwantummaterie. Door aan te tonen dat een eenvoudige rotatie een Josephson-overgang in de momentumruimte kan creëren voor een enkel type atoom, hebben de onderzoekers een nieuw instrument aan wetenschappers geboden. Voorheen waren dergelijke momentum-gebaseerde overgangen alleen bekend in systemen met complexere interne structuren. Nu lijkt het erop dat de rotatie van de val zelf voldoende is om deze toestanden te creëren. Deze ontdekking suggereert dat toekomstige kwantumapparaten gebouwd kunnen worden met behulp van deze roterende vallen om stabiele, regelbare overgangen te creëren die opereren in zowel de fysieke ruimte als de momentumruimte. Het vermogen om de stroom van atomen in deze twee verschillende domeinen simultaan te controleren, kan leiden tot nauwkeurigere kwantumsensoren en nieuwe soorten kwantummechanische apparaten. De onderzoekers benadrukken dat hoewel hun bevindingen momenteel gebaseerd zijn op simulaties, zij een duidelijk blauwdruk bieden voor experimentatoren om dit in het laboratorium te proberen, wat deze momentum-gebaseerde effecten mogelijk naar de sfeer van de observeerbare realiteit brengt.