Kolde atomare gasser Skræddersyet kvantemekanik. Georg M. Bruun Fysiklærerdag 2011

Transkript

1 Kolde atomare gasser Skræddersyet kvantemekanik Georg M. Bruun Fysiklærerdag Wednesday, January 6,

2 Hovedbudskaber Bose-Einstein Kondensation = Identitetskrise for kvantepartikler BEC i atomare ultrakolde gasser Skræddersyet vekselvirking Stærk vekselvirkning: Den perfekte væske Wednesday, January 6,

3 Bose-Einstein Kondensation partikler med energien in 4 niveauer Klassisk fysik Forskellige: tilstande % sandsynlighed for tredobbelt okkupation % sandsynlighed for dobbelt okkupation Wednesday, January 6,

4 Kvantefysik Identiske Bosoner: Ψ(r, r, r ) = Ψ(r, r, r ) % sandsynlighed for tredobbelt okkupation tilstande % sandsynlighed for dobbelt okkupation Bosoner er sociale Wednesday, January 6,

5 Kolde atomare gasser Epoxied glass cell Fælde Pumpout valve zero length adapter Ion Pump Bose-Einstein kondensation: Rubidium dispenser bottom window Figure. Drawing of trapping cell. The tubes on the cross have been elongated in the drawing for ease of display. The Rb dispenser is inside a stainless steel vacuum tube; we show a cut-away view in this drawing. Wednesday, January 6,

6 BEC i atomare gasser Makroskopisk φ(r) e r /a Ψ(r, r,..., r N ) = Ψ = Nφ(r) N i= φ(r i ) Nobel Price Eric A. Cornell Wolfgang Ketterle Carl E. Wieman Wednesday, January Phase 6, diagram for ideal gases (l

7 Skræddersyet vekselvirkning Kollisioner: Styrke af vekselvirkning: a/d a/d«svag vekselvirkning a/d» stærk vekselvirkning d a spredningslængde Atom-atom potential molekyle r atomer frastødning a> a = tiltrækning a< Fano-Feshbach resonans Wednesday, January 6,

8 Den perfekte væske Fasediagram a d d/a Stærk vekselvirkning a»d Den perfekte væske Wednesday, January 6,

9 Hydrodynamisk ekspansion ρ t u = P Thomas Lab, Duke 4 Svingninger Scissors Mode Frekvens Y Y X X Perfekt væske T Grimm Lab, Innsbruck 9 mere fortyndet end luft Wednesday, January 6,

10 Ideelle og viskøse væsker Hydrodynamik: Bevarelse af partikler t ρ + (ρv) = Bevarelse af impuls t (ρv i )+ k Π ik = Π ik = P δ ik + ρv i v k Ideel væske Tabsfri L. Euler Wednesday, January 6,

11 ➀ Alle væsker har tab og friktion t ρ + (ρv) = t (ρv i )+ k Π ik = Π ik = P δ ik + ρv i v k η ➁ i v j j v i δ ij v ζδ ij ( v) Viskositet Friktion F A = η yv x Stigende viskositet C. Navier Wednesday, January 6,

12 Kinetisk billede λ Impuls transport Viskositet η npλ Π xy = η v x(y) Middel fri vejlængde λ = nσ y Viskositet uafhængig af tæthed! James Clerck Maxwell Wednesday, January 6,

13 Kinetisk billede: Få kollisioner Høj viskositet Mange kollisoner Lav viskositet Lille viskositet stærk vekselvirkning Viskositet har ingen øvre grænse Men tilsyneladende en nedre grænse Minimum? η npλ n Stærke vekselvirkninger Heisenberg x p / Kvantesystem Wednesday, January 6,

14 Viskositet af en atomar gas Høj temperatur: Veldefinerede partikler Boltzmann ligningen f t + ṙ f r + ṗ f p = I[f] a = η = 5(mkT )/ π T / Wednesday, January 6,

15 Viskositet af en atomar gas Ingen veldefinerede partikler a = Thomas Lab, Science 6 Kvantevæske η = α(t/t F )n α(t c /T F ). Viscosity Coefficient T / T/T F Reduced Temperature Wednesday, January 6,

16 Mindste viskositet i Mulige kandidater: universet Atomare gasser Flydende Helium Quark-Gluon Plasma T -7 K Koldeste sted på jorden η 5 Pa s T K η 6 Pa s T K Varmeste sted på jorden η Pa s Wednesday, January 6,

17 Atomare gasser Strengteori: η s T -7 K 4πk B Flydende Helium T K Quark-Gluon Plasma T K Wednesday, January 6,

18 Perspektiver Nye stærkt/svagt vekselvirkende kvantesystemer, fundamental fysik Optiske gitre. Højtemperatur superledning, kvantekomputere,... Dipolar molecules/atoms. Bose-Fermi blandinger, ny eksotisk fysik... Mesoskopiske/nano-systemer, atomtronics, kvanteinformation,... Wednesday, January 6,