Imaginary magnetic fields for ultracold atoms

In de stille, bevroren wereld van ultrakoude atomen hebben natuurkundigen lang geleerd om deeltjes te misleiden zodat ze zich gedragen alsof ze geladen zijn, zelfs wanneer ze elektrisch neutraal zijn. Door wolken van atomen te baden in zorgvuldig afgestemde laserlicht, kunnen onderzoekers "synthetische" krachten creëren die het effect van magnetische velden nabootsen. In de vertrouwde, echte wereld duwt een magnetisch veld een bewegend geladen deeltje opzij, waardoor het een bocht maakt. Decennialang hebben wetenschappers deze synthetische magnetische velden gebruikt om neutrale atomen langs soortgelijke gebogen paden te leiden, waardoor ze complexe elektrische verschijnselen kunnen simuleren in een schone, gecontroleerde omgeving. Er bestaat echter een tweede, vreemdere soort magnetisch veld die alleen bestaat in het domein van de theoretische fysica: een imaginair veld. In tegen tegenstelling tot echte magnetische velden die deeltjes sturen, duwt of trekt een imaginair veld niet op een traditionele manier. In plaats daarvan werkt het als een selectieve filter, waardoor deeltjes met verschillende snelheden verdwijnen, afhankelijk van waar ze zijn en hoe ze bewegen. Dit concept, geworteld in de wiskunde van systemen die energie of deeltjes verliezen, suggereert dat dissipatie — de handeling van het verliezen van iets — de manier waarop materie beweegt fundamenteel kan hervormen, door effecten te creëren die onmogelijk zijn in een perfect gesloten systeem.

Een team van onderzoekers aan de Vilnius Universiteit in Litouwen heeft nu een concrete manier voorgesteld om dit ongrijpbare imaginaire magnetische veld voor ultracoude atomen te creëren. Ze ontwierpen een specifieke opstelling met behulp van een vier-niveau atomaire systeem, waarbij atomen door laserstralen worden verleid tot een delicate dans tussen verschillende interne toestanden. De sleutel van hun voorstel is de introductie van een gecontroleerd, toestand-afhankelijk verlies. Stel je de atomen voor als reizigers op een pad; de onderzoekers hebben de lasers zo ingesteld dat als een atoom een bepaalde route neemt of zich op een specifieke locatie bevindt, het waarschijnlijker is dat het volledig uit het systeem wordt verwijderd. Door de sterkte van de laserkoppeling zorgvuldig af te stemmen op de snelheid waarmee atomen verloren gaan, toonden de onderzoekers aan dat de resterende atomen zich gedragen alsof ze door een uniform imaginair magnetisch veld bewegen. Dit is geen veld dat de atomen opzij duwt, maar een veld dat een ruimtelijk uniforme "imaginaire" kracht creëert, een concept dat voorheen moeilijk in een laboratoriumsetting te realiseren was.

De onderzoekers toonden aan dat door twee hulp-atomaire toestanden te elimineren en het systeem te projecteren op de resterende toestanden, de beweging van de atomen wordt beheerst door dit imaginaire potentiaal. In hun theoretische model ontdekten zij dat de atomen niet simpelweg wegdriften; ze vertonen een uniek type transport dat sterk afhangt van de grootte van de atoomwolk. Wanneer een pakket van deze atomen wordt gelanceerd, zorgt het imaginaire veld ervoor dat het centrum van de wolk zijdelings drift op een manier die direct proportioneel is aan hoe breed het pakket is. Een bredere wolk ervaart een sterkere zijwaartse duw dan een nauwe wolk. Dit is een opvallende afwijking van hoe echte magnetische velden werken, waarbij het pad van een deeltje wordt bepaald door zijn snelheid en lading, en niet door de spreiding van de groep waartoe het behoort. Het team berekende dat deze zijwaartse drift zeer snel plaatsvindt, zelfs voordat de atomen de tijd hebben gekregen om een aanzienlijke zijwaartse impuls op te bouwen. Het is een beweging die volledig wordt gedreven door het feit dat atomen aan één kant van de wolk sneller worden verwijderd dan aan de andere kant, wat het zwaartepunt effectief in de tegenovergestelde richting duwt.

Naast deze drift onthulde de studie dat het imaginaire magnetische veld ook de vorm van de atoomwolk op een dynamische manier verandert. Terwijl de atomen bewegen, breidt de wolk zich niet alleen uniform uit; ze rekt uit en krimpt in, en draait haar oriëntatie terwijl ze beweegt. De onderzoekers ontdekten dat onder bepaalde omstandigheden één richting van de wolk daadwerkelijk kan krimpen terwijl de andere uitzet, een fenomeen dat bekend staat als "squeezing" (samendrukking). Dit gedrag is een direct gevolg van het samenspel tussen het imaginaire veld en de natuurlijke neiging van de atomen om uit te spreiden. Het team onderzocht ook wat er gebeurt wanneer deze atomen langs een gesloten lus worden geleid, vergelijkbaar met een racebaan. Zij ontdekten dat het aantal overlevende atomen afhangt van de richting waarin zij reizen en het oppervlak dat door de baan wordt omsloten. Als de atomen met de klok mee reizen, overleeft een ander aantal dan wanneer zij tegen de klok in reizen, zelfs als de baan identiek is. Dit verschil is een geometrisch effect, een signatuur van de imaginaire magnetische flux die door de lus trekt, en het biedt een duidelijke, meetbare manier om de aanwezigheid van dit vreemde veld te detecteren.

De geldigheid van deze bevindingen rust op een zorgvuldige vergelijking tussen een vereenvoudigd wiskundig model en een complexere, volledige simulatie. De onderzoekers toonden aan dat hun vereenvoudigde benadering, die ervan uitgaat dat de atomen in een specifieke kwantumtoestand blijven, de resultaten van de volledige simulatie voor een aanzienlijke periode van tijd evenaart. Deze overeenkomst bevestigt dat de voorgestelde methode robuust is en dat de effecten die zij voorspelden geen louter wiskundige artefacten zijn, maar reële fysieke gedragingen die in een experiment geobserveerd kunnen worden. De studie suggereert dat door digitale spiegels te gebruiken om de laserstralen te vormen en de verwijdering van atomen met hoge precisie te controleren, experimentatoren de condities kunnen creëren die nodig zijn om deze effecten te zien. Het werk opent een nieuw venster naar de niet-Hermitische fysica, een vakgebied dat systemen bestudeert waarbij energie of deeltjes niet behouden blijven, en laat zien dat verlies niet slechts een hinderlijk bijproduct is dat vermeden moet worden, maar een krachtig instrument dat kan worden ingezet om geheel nieuwe vormen van beweging en transport te creëren.