Gases quânticos consistindo de átomos são extremamente adequados para observar fenômenos da mecânica quântica e fazer novos tipos de matéria quântica. Em seu Ph.D. a pesquisa Mestrom foi capaz de quantificar os efeitos das colisões de três partículas nesses gases ultracold. Com um novo método numérico, ele foi capaz de caracterizar e prever certos efeitos dessas colisões. Ele defendeu seu Ph.D. em 27 de setembro no departamento de Física Aplicada.

Um gás quântico pode ser criado a partir de um gás atômico, resfriando os átomos a temperaturas abaixo de um microkelvin. Isso é muito próximo do zero absoluto e corresponde a aproximadamente -273 graus Celsius. A densidade desses gases quânticos atômicos é extremamente baixa, muitos milhares de vezes menor do que a densidade do ar ao nosso redor.

Força de interação

Além disso, eles são muito pequenos com um diâmetro típico da largura de um fio de cabelo. As propriedades desses gases quânticos ultracold dependem das interações entre as partículas que colidem umas com as outras. Devido à densidade extremamente baixa, as colisões entre duas partículas ocorrem com muito mais freqüência do que as colisões entre três ou mais partículas. No entanto, as colisões de três partículas têm um grande impacto na estabilidade de gases quânticos ultracold.

Usando as leis da mecânica quântica, Mestrom poderia derivar uma força de interação que pode ser usada para quantificar os efeitos dessas colisões de três partículas. Ele desenvolveu um método numérico que lhe permitiu calcular essa força de interação para diferentes tipos de sistemas de três partículas e estudar colisões elásticas e inelásticas entre três partículas.

Gás em líquido

Primeiro, ele investigou colisões entre três partículas idênticas. Quando a interação entre duas partículas é forte o suficiente para formar uma molécula sem momento angular orbital (a chamada molécula de onda S), três partículas podem formar infinitos tipos de moléculas. Mestrom analisou como o dimensionamento universal do tamanho dessas moléculas - conhecido como efeito Efimov - é influenciado pelos modelos que descrevem as interações de duas partículas.

Além disso, o efeito das colisões elásticas de três partículas em gases quânticos ultracold é aumentado quando a força de interação de duas partículas é extremamente baixa. Mestrom mostrou que a força de interação entre três átomos então se comporta universalmente. Além disso, esta força de interação tem um efeito repulsivo no gás quântico. Essa força repulsiva pode até mesmo estabilizar um gás quântico instável em um líquido quântico.

Rodar

Efeitos aprimorados de colisões elásticas de três partículas também ocorrem em misturas gasosas ultracold. Isto acontece, por exemplo, quando duas partículas não idênticas podem formar uma molécula fracamente ligada com um momento angular orbital positivo (a chamada molécula de onda p). A força de interação de três partículas então se comporta universalmente.

Além disso, as partículas da mecânica quântica podem ter um momento angular intrínseco. Isso é conhecido como spin. Pode-se criar gases quânticos ultracold nos quais as partículas têm a liberdade de mudar seu estado de spin. Essa mudança pode ocorrer por meio de colisões com outras partículas.

Em sua tese, Mestrom investigou a contribuição das colisões de três partículas para a dinâmica de spin. Dessa forma, ele determinou o efeito das colisões de três partículas nas propriedades magnéticas dos gases quânticos atômicos. Além disso, ele previu como esse efeito pode ser intensificado usando radiação eletromagnética e campos magnéticos.