Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

In de stille wereld van de kwantumfysica, waar atomen zich minder gedragen als solide knikkers en meer als overlappende golven, vertrouwen wetenschappers al lang op een eenvoudige regel: als er genoeg tijd is, zal een chaotisch systeem uiteindelijk tot rust komen in een kalme, voorspelbare staat die thermisch evenwicht wordt genoemd. Dit is de toestand waarin energie gelijkmatig wordt verdeeld over alle delen van een systeem, zoals een kop koffie die afkoelt tot de temperatuur van de kamer evenaart. De natuur neemt echter soms een omweg. Voordat het die uiteindelijke rust bereikt, raken veel systemen gevangen in een langdurige, semi-stabiele conditie die bekend staat als een prethermale staat. In deze fase lijkt het systeem tot rust te zijn gekomen, maar het houdt een geheugen vast van zijn initiële chaos en weigert zijn energie eerlijk te delen. Het begrijpen van waarom en hoe deze systemen zo vastlopen, is een fundamentele uitdaging die aanwijzingen biedt voor alles, van de vroege momenten van het universum tot het gedrag van complexe materialen.

Een team onderzoekers van het Joint Quantum Institute en het National Institute of Standards and Technology heeft dit fenomeen nu in actie gevangen door het te observeren binnen een wolk van ultra-koude atomen. Ze creëerden een scenario waarin twee verschillende soorten atomen, die elkaar van nature afstoten, werden gedwongen om een ruimte te delen. Wanneer de omstandigheden plotseling werden veranderd, mengden deze atomen niet simpelweg of scheidden ze niet direct. In plaats daarvan vormden ze een scherpe grens, een eendimensionale interface, tussen twee grote domeinen. Deze grens was geen statische muur; het rimpelde en wiebelde met golven die ripplons worden genoemd. Door te kijken naar hoe deze golven evolueerden over de tijd, ontdekten de wetenschappers dat de interface een prethermale staat betrad die de gebruikelijke regels van energieverdeling tartte.

Het experiment begon met een wolk van ongeveer 1,6 miljoen natriumatomen, afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt en gevangen in een platte, vierkante doos. Aanvankelijk waren alle atomen in dezelfde kwantumtoestand. De onderzoekers gebruikten vervolgens een microgolfpuls om de wolk te splitsen in twee gelijke groepen atomen die onderling incompatibel waren, zoals olie en water. Deze twee groepen begonnen zich onmiddellijk te scheiden, waarbij ze willekeurige druppels vormden die samensmolten en groeiden totdat er twee grote, duidelijke domeinen aan de tegenovergestelde zijden van de doos ontstonden. De grens tussen hen was het middelpunt van de studie. Terwijl de atomen tot rust kwamen, begon de interface tussen de twee domeinen te fluctueren, wat golven van verschillende groottes creëerde. De onderzoekers maten de hoogte van deze grens met extreme precisie en volgden hoe deze golven gedurende een periode van tot wel vier seconden veranderden.

Wat zij vonden, was een opvallende splitsing in gedrag. De golven op de interface kwamen in veel verschillende maten, van zeer korte, strakke rimpelingen tot lange, vegende undulaties. De korte, hoogfrequente rimpelingen verloren snel hun energie aan de omringende wolk van atomen en kwamen tot rust op een temperatuur die overeenkwam met de bulk van het gas. De lange, laagfrequente golven gedroegen zich echter anders. Deze grote rimpelingen bleven heet en hielden aanzienlijk meer energie vast dan de rest van het systeem, zelfs nadat de onderzoekers een lange tijd hadden gewacht. Het systeem had een toestand bereikt waarin de kleine golven kalm waren, maar de grote golven nog steeds onrustig waren, wat een langdurige prethermale configuratie creëerde.

Om dit te begrijpen, moesten de wetenschappers kijken naar hoe energie beweegt tussen deze golven en de omringende atomen. In een typisch systeem stroomt energie vrijelijk totdat alles dezelfde temperatuur heeft. Hier voorkwamen de wetten van beweging die stroom voor de grote golven. De onderzoekers ontdekten dat de grote rimpelingen kinematisch geïsoleerd waren. Dit betekent dat de natuurwetten die hun beweging beheersen het onmogelijk maakten voor hen om hun energie gemakkelijk over te dragen aan de omringende atomen via de gebruikelijke botsingsachtige processen. De energie die nodig was om een grote rimpeling haar warmte te laten opgeven, kwam niet overeen met de energie die beschikbaar was in de omringende atomen, wat een mismatch creëerde die de overdracht blokkeerde. Het is vergelijkbaar met het proberen te duwen van een zware rotsblok met een zachte bries; de bries kan de steen simpelweg niet bewegen, ongeacht hoe lang hij waait.

Het team bevestigde deze isolatie door de temperatuur van de golven direct te meten. Ze vonden dat de temperatuur van de grote rimpelingen veel hoger was dan de temperatuur van het omringende gas, terwijl de kleine rimpelingen waren afgekoeld om overeen te komen met het gas. Ze sloten ook andere mogelijkheden uit, zoals het feit dat de golven een speciale, coherente staat vormden zoals een laserstraal, door aan te tonen dat de golven een standaard statistisch patroon volgden, maar dan met de verkeerde temperatuur. De gegevens toonden aan dat de grote golven extreem traag vervalden, met een gemeten tijd van ongeveer vijf seconden om tot rust te komen, wat aanzienlijk langer was dan de tijd die de kleine golven nodig hadden om tot rust te komen.

Deze ontdekking biedt een duidelijk, experimenteel voorbeeld van hoe een systeem in een prethermale staat kan vastlopen, niet omdat het perfect geordend is, maar omdat de specifieke manieren waarop energie kan bewegen geblokkeerd worden door de geometrie van het systeem zelf. De onderzoekers observeerden dat de interface tussen de twee atomaire domeinen fungeerde als een subsysteem dat voor een aanzienlijke periode effectief was afgesneden van de rest van de wereld. Terwijl de kleine golven een pad naar evenwicht vonden, bleven de grote golven gevangen in een toestand van verhoogde energie, wachtend op een zeldzame, complexe interactie om hen eindelijk te laten afkoelen.

Dit werk benadrukt een fundamenteel aspect van de kwantummechanica: zelfs in een systeem dat niet perfect geïsoleerd is, kunnen bepaalde delen voor een lange tijd buiten evenwicht blijven als de paden voor energieuitwisseling geblokkeerd zijn. De onderzoekers merkten op dat hoewel zij het mechanisme voor deze trage relaxatie hebben geïdentificeerd, de exacte processen die deze prethermale staat aanvankelijk creëerden en de volledige details van hoe deze uiteindelijk vervalt, openstaande vragen blijven. Zij suggereren dat het antwoord kan liggen in de manier waarop individuele golven hun fasecoherentie verliezen of met elkaar mengen binnen de prethermale groep. Door een schoon, controleerbaar platform te bieden om deze dynamica te bestuderen, opent dit experiment een nieuw venster naar het begrijpen van hoe complexe kwantumsystemen evenwicht benaderen, een proces dat centraal staat in het gedrag van materie op de kleinste schaal.