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Dr. Olivia Meyer-Streng
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Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Auf den Punkt gebracht

Auf den Punkt gebracht

● Die Eigenschaften vieler Quantensysteme, wie etwa der Hochtemperatursupraleiter, lassen sich mit herkömmlichen Computern nicht berechnen, weil deren Kapazität oft nicht ausreicht, um die komplexen Wechselwirkungen etwa in Festkörpern zu erfassen.

● Atome in optischen Gittern dienen als Quantensimulatoren, in denen sich komplexe Quantenphänomene unter kontrollierten Bedingungen studieren lassen und Modelle für reale Materialien überprüft werden können.

● In einem künstlichen Kristall lässt sich eine negative absolute Temperatur realisieren oder der Ladungstransport in Festkörpern untersuchen.

● Ein System aus Atomen im optischen Gitter gilt als ein Kandidat für einen universellen Quantencomputer.

Quantenzauber im künstlichen Kristall

Irgendwo in den Tiefen des Waldes aus Linsen, Spiegeln, optischen Fasern und Lasern sitzt das Herz eines Experimentes – eine Vakuumkammer, die ein sogenanntes optisches Gitter enthält. In diesem befinden sich Tausende von Rubidiumatomen. „Das Experiment ist wartungsfrei“, antwortet lächelnd Christian Groß, einer der wissenschaftlichen Mitarbeiter Blochs, auf die Frage, ob man an die Vakuumkammer überhaupt noch herankomme, ohne den filigranen optischen Aufbau zu stören.

Das Herz des Experiments: In der gläsernen Vakuumzelle erzeugen die Physiker aus Rubidiumatomen ein Bose-Einstein Kondensat (BEK). Die Atome sind im Feld von Magnetspulen gefangen, von denen eine in der unteren Bildhälfte zu sehen ist. Das BEK laden die Forscher für weitere Experimente in einen künstlichen Kristall aus Licht – ein sogenanntes optisches Gitter. [weniger] Bild vergrößern
Das Herz des Experiments: In der gläsernen Vakuumzelle erzeugen die Physiker aus Rubidiumatomen ein Bose-Einstein Kondensat (BEK). Die Atome sind im Feld von Magnetspulen gefangen, von denen eine in der unteren Bildhälfte zu sehen ist. Das BEK laden die Forscher für weitere Experimente in einen künstlichen Kristall aus Licht – ein sogenanntes optisches Gitter. [weniger] [weniger]

Im Innern der Kammer kreuzen sich Laserstrahlen. Bei der Überlagerung löschen sich die Lichtwellen an bestimmten Orten aus, während sie sich an anderen verstärken, wodurch helle und dunkle Bereiche entstehen. Die Rubidiumatome werden in die Kammer geladen und anschließend von den elektromagnetischen Kräften des Laserlichtes zu den hellen, manchmal auch zu den dunklen Stellen gezogen und kommen dort zu liegen wie Eier in einem Eierkarton. Anders als Eier können die Atome aber zwischen den Mulden des optischen Eierkartons hin und her hüpfen. Denn die Quantenmechanik erlaubt ihnen, durch eine Energiebarriere zu tunneln, auch wenn ihre Energie dafür eigentlich nicht ausreicht.

Das Besondere: Die Atome bilden ein System miteinander wechselwirkender Quantenteilchen, von denen sich jedes einzelne beobachten lässt. Erkennen lassen sie sich, weil der Abstand zwischen den Mulden des Eierkartons mit etwa 0,5 Mikrometern – ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter – rund 10 000-mal größer ist als der Abstand von Atomen in einem Festkörper. Es handelt sich also um ein tausendfach vergrößertes Modell eines Kristalls. Indem die Forscher die Atome zum Leuchten anregen, können sie das gesamte System mithilfe eines speziell entwickelten, hochauflösenden Lichtmikroskops abbilden.

Dass sich die Atome trotz der großen Abstände wie ein System vieler Quantenteilchen verhalten, liegt an der extrem tiefen Temperatur des Atomensembles. Der Quantenmechanik zufolge weist jedes Teilchen auch Eigenschaften einer Welle auf. Die Länge dieser Materiewelle wächst mit sinkender Temperatur. Dadurch dehnt sich die Materiewelle so weit aus, dass sie etwa so lang wird wie der Abstand zwischen den Atomen. Da die Materiewellen einander überlappen, verschmelzen die Atome sozusagen zu einem einzigen Quantensystem.

„Das Tolle an diesem Modellsystem ist, dass wir nahezu alle Eigenschaften der Atome kontrollieren können, indem wir etwa die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Atomen gezielt variieren“, sagt Immanuel Bloch. Letzteres geschieht einfach durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes. Damit können die Forscher sowohl anziehende als auch abstoßende Wechselwirkungen zwischen den Atomen einstellen. So erhält der Quantensimulator eine erste Stellschraube, mit der er sich in gewissem Maße quasi programmieren lässt.

Eine weitere Stellschraube gibt den Physikern die Intensität der Laserstrahlen in die Hand. Sie bestimmt die Tiefe der Mulden des optischen Eierkartons. Je tiefer, also je stärker die Laserstrahlen, desto weniger neigen die Atome dazu, von einer Mulde in eine benachbarte zu hüpfen.

„Das Verhältnis zwischen der Stärke der Wechselwirkung und der Tendenz, von Mulde zu Mulde zu wechseln, ist oft der alles bestimmende Parameter in diesen Modellsystemen“, sagt Bloch. Sein Team kann darüber die Quantenmaterie nach Gusto variieren. Es kann somit eine ganze Anzahl von Phänomenen simulieren, die auf dem komplexen Wechselspiel der Teilchen beruhen.

Aber sind darunter Phänomene, die sich auch in wirklichen Festkörpern finden? Ist das Modell realitätsnah? Das hat Bloch mit seinem damaligen Team schon vor über zehn Jahren gezeigt, als frisch promovierter Nachwuchsgruppenleiter beim späteren Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch an der Ludwig- Maximilians-Universität München.

Schnappschüsse aus dem Zirkus der Quantenteilchen

Temperatur lässt sich auch über die Verteilung von Teilchen auf die Energiezustände definieren: Bei positiver absoluter Temperatur T ist die Zahl n der Teilchen mit niedriger Energie E größer als die Teilchenzahl mit hoher Energie (erste und zweite Säule von links). Am absoluten Nullpunkt (null Kelvin [K]) versammeln sich alle Teilchen in den niedrigsten Zuständen. Im hypothetischen Fall einer unendlich hohen Temperatur in einem System mit einer Maximalenergie verteilen sich die Teilchen gleichmäßig über alle Zustände (mittlere Säule). In solchen Systemen mit einer oberen Energie schranke ist es im Prinzip möglich, mehr Teilchen in Zustände mit hoher als mit niedriger Energie zu bringen (erste und zweite Säule von rechts). Ein System mit einer negativen absoluten Temperatur muss als heißer aufgefasst werden als ein System mit unendlich hoher positiver Temperatur, denn bei einem Wärmekontakt zwischen einem System positiver und einem System negativer absoluter Temperatur fließt Wärme immer vom System mit negativer Temperatur hin zu dem mit positiver Temperatur. Bild vergrößern
Temperatur lässt sich auch über die Verteilung von Teilchen auf die Energiezustände definieren: Bei positiver absoluter Temperatur T ist die Zahl n der Teilchen mit niedriger Energie E größer als die Teilchenzahl mit hoher Energie (erste und zweite Säule von links). Am absoluten Nullpunkt (null Kelvin [K]) versammeln sich alle Teilchen in den niedrigsten Zuständen. Im hypothetischen Fall einer unendlich hohen Temperatur in einem System mit einer Maximalenergie verteilen sich die Teilchen gleichmäßig über alle Zustände (mittlere Säule). In solchen Systemen mit einer oberen Energie schranke ist es im Prinzip möglich, mehr Teilchen in Zustände mit hoher als mit niedriger Energie zu bringen (erste und zweite Säule von rechts). Ein System mit einer negativen absoluten Temperatur muss als heißer aufgefasst werden als ein System mit unendlich hoher positiver Temperatur, denn bei einem Wärmekontakt zwischen einem System positiver und einem System negativer absoluter Temperatur fließt Wärme immer vom System mit negativer Temperatur hin zu dem mit positiver Temperatur. [weniger]

Als Vorbild aus der Natur dienten bestimmte Metalloxide, die theoretisch elektrisch leiten sollten, sich experimentell aber als Isolatoren erweisen. Oder sie verwandeln sich von einem Isolator in einen elektrischen Leiter, wenn sie Druck ausgesetzt werden. Nach dem britischen Physik-Nobelpreisträger Sir Nevill Francis Mott (1905 bis 1996), der sich mit solchen Stoffen befasste, werden sie Mott-Isolatoren genannt. Die Elektronen in einem Mott-Isolator stoßen einander so stark ab, dass ihre Bewegung einfriert, sie blockieren sich gegenseitig wie Autos in einem Stau. Viele Physiker glauben, dass die Hochtemperatursupraleitung aus einem elektronischen Mott-Isolator hervorgeht.

Bloch und seine Kollegen haben damals mit Atomen in einem optischen Gitter den Übergang von einer sogenannten Supraflüssigkeit zu einem Mott-Isolator simuliert. Supraflüssigkeiten treten bei Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt auf. Es gehen dann alle Atome in den gleichen – den niedrigsten – Energiezustand über und verschmelzen dadurch zu einer Art Superteilchen. Dieses verhält sich wie eine Flüssigkeit mit bizarren Eigenschaften: Sie zeigt absolut keine Zähflüssigkeit und kann deshalb über Gefäßwände kriechen oder verbleibt bei langsamem Rühren vollkommen in Ruhe. Im optischen Gitter wird dieser supraflüssige Zustand durch Atome realisiert, die von einem Gitterplatz zum anderen springen: Keines von ihnen ist daher einem bestimmten Gitterplatz zuzuordnen, ihre Individualität geht so verloren.

Bloch und sein Team verringerten damals die Tendenz der Atome, zwischen den Gitterplätzen zu springen, so weit, dass die Abstoßung zwischen ihnen überwog. Ganz plötzlich stellte sich dann eine neue Ordnung im System ein, in der auf jedem Gitterplatz genau ein Atom saß. Ähnliches passiert, wenn ein Metalloxid seine Leitfähigkeit verliert und zum Mott Isolator wird: Die freie Beweglichkeit der Elektronen wird durch stärker werdende Abstoßung der Elektronen untereinander eingefroren.

Blochs Garchinger Team schoss Bilder der Atome im optischen Gitter vor und nach dem Übergang. Dazu bringen die Forscher die einzelnen Atome im Kristall zum Leuchten. Jedes Atom wirkt dann wie eine kleine mikroskopische Glühbirne, deren Licht mit einem Mikroskopobjektiv aufgenommen werden kann. Während im suprafluiden Materiezustand ein Durcheinander der Atome im Lichtkristall zu erkennen ist, verteilen sich die Atome im Mott-Isolator völlig regelmäßig in dem optischen Eierkarton.

 
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