I gas quantistici costituiti da atomi sono estremamente adatti per osservare i fenomeni della meccanica quantistica e creare nuovi tipi di materia quantistica. Nel suo dottorato di ricerca ricerca Mestrom è stato in grado di quantificare gli effetti delle collisioni di tre particelle in quei gas ultrafreddi. Con un nuovo metodo numerico è stato in grado di caratterizzare e prevedere alcuni effetti di queste collisioni. Ha difeso il suo dottorato di ricerca. il 27 settembre presso il dipartimento di Fisica Applicata.

Un gas quantistico può essere creato da un gas atomico raffreddando gli atomi a temperature inferiori a un microkelvin. Questo è molto vicino allo zero assoluto e corrisponde a circa -273 gradi Celsius. La densità di questi gas quantistici atomici è estremamente bassa, molte migliaia di volte inferiore alla densità dell'aria intorno a noi.

Forza di interazione

Inoltre, sono molto piccoli con un diametro tipico della larghezza di un capello. Le proprietà di questi gas quantistici ultrafreddi dipendono dalle interazioni tra le particelle che si scontrano tra loro. A causa della densità estremamente bassa, le collisioni tra due particelle si verificano molto più spesso delle collisioni tra tre o più particelle. Tuttavia, le collisioni di tre particelle hanno un impatto importante sulla stabilità dei gas quantistici ultrafreddi.

Usando le leggi della meccanica quantistica, Mestrom potrebbe derivare una forza di interazione che può essere utilizzata per quantificare gli effetti di quelle collisioni di tre particelle. Ha sviluppato un metodo numerico che gli ha permesso di calcolare questa forza di interazione per diversi tipi di sistemi a tre particelle e di studiare le collisioni sia elastiche che anelastiche tra tre particelle.

Gas in liquido

Primo, ha studiato le collisioni tra tre particelle identiche. Quando l'interazione tra due particelle è abbastanza forte da formare una molecola senza momento angolare orbitale (la cosiddetta molecola dell'onda s), tre particelle possono formare infiniti tipi di molecole. Mestrom ha analizzato come il ridimensionamento universale delle dimensioni di queste molecole, noto come effetto Efimov, sia influenzato dai modelli che descrivono le interazioni tra due particelle.

Inoltre, l'effetto delle collisioni elastiche di tre particelle sui gas quantistici ultrafreddi aumenta quando la forza di interazione delle due particelle è estremamente bassa. Mestrom ha mostrato che la forza di interazione tra tre atomi si comporta quindi universalmente. Inoltre, questa forza di interazione ha un effetto repulsivo sul gas quantistico. Questa forza repulsiva può persino stabilizzare un gas quantico instabile in un liquido quantistico.

Rotazione

Gli effetti potenziati delle collisioni elastiche di tre particelle si verificano anche nelle miscele gassose ultrafredde. Questo succede, Per esempio, quando due particelle non identiche possono formare una molecola debolmente legata con un momento angolare orbitale positivo (una cosiddetta molecola dell'onda p). La forza di interazione delle tre particelle si comporta quindi universalmente.

Per di più, le particelle della meccanica quantistica possono avere un momento angolare intrinseco. Questo è noto come rotazione. Si possono creare gas quantistici ultrafreddi in cui le particelle hanno la libertà di cambiare il loro stato di spin. Questo cambiamento può avvenire tramite collisioni con altre particelle.

Nella sua tesi, Mestrom ha studiato il contributo delle collisioni di tre particelle alla dinamica di spin. In questo modo ha determinato l'effetto delle collisioni di tre particelle sulle proprietà magnetiche dei gas quantistici atomici. Inoltre, ha previsto come questo effetto possa essere potenziato utilizzando radiazioni elettromagnetiche e campi magnetici.