De skapade universums kallaste material – med laser

Vad har hänt?

Ett forskarlag vid Kyotouniversitetet i Japan har kylt ner atomer av grundämnet ytterbium till inom en miljarddel av en grad över den absoluta nollpunkten. Det är ungefär tre miljarder gånger kallare än yttre rymden. 

– Förutsatt att inte en utomjordisk civilisation gör experiment som dessa just nu så skapar experimentet vid Kyotos universitet de kallaste fermionerna i universum när det körs, sa Kaden Hazzard, professor i fysik vid Rice university i Texas och en av medförfattarna till studien som publicerades i Nature Physics, i ett pressmeddelande.   

Inom partikelfysiken kallas partiklar med halvtaligt spinn så som elektroner, protoner och neutroner för fermioner. Spinnet är kopplat till en partikels rörelsemängdsmoment – namnet kommer från en skenbar rotation som vissa elementarpartiklar uppvisar i magnetfält. Atomer med udda masstal är också fermioner medan atomer med jämna masstal är bosoner.

Hur har de kalla atomerna skapats? 

Genom att begränsa rörelsen för ytterbiumatomer i ett optiskt gitter med hjälp av lasrar kunde forskarna kyla ner atomerna.

Kylning med laser bygger på konceptet att när en atom absorberar och sedermera avger en foton så förändras dess rörelsemängd. 

Experimentet i Kyoto bygger på en modell som utvecklades 1963 av fysikern John Hubbard. Genom Hubbardmodellen kan forskare undersöka magnetiska och supraledande egenskaper av olika material. 

– Poängen med att komma ner till dessa temperaturer är att fysiken verkligen förändras. Det blir alltmer kvantmekaniskt vilket låter oss se nya fenomen, sa Kaden Hazzard i pressmeddelandet. 

Vad är speciellt med experimentet i Kyoto? 

Hubbardmodellen som experimentet simulerar har en speciell symmetri som kallas Su(N) där Su står för special unitary group och N för antalet möjliga tillstånd för spinnet hos partikeln som kyls ner. Ytterbium har sex möjliga spinntillstånd vilket skapar en Hubbarmodell av typen Su(6). Det är första gången denna särskilda symmetri har observerats.

Med sin uppställning kan forskarna med hjälp av lasrarna fånga in och sakta ner 300 000 ytterbiumatomer i ett tredimensionellt gitter. Fysiker kan då direkt observera de infångade partiklarna och lära sig mer om hur dessa avancerade kvantsystem fungerar. Ett av slutmålen med experiment som dessa är att förstå varför vissa material blir metaller, isolatorer, magneter eller supraledare. 

Grundämnet ytterbium upptäcktes i svensk gruva