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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

„Schnappschüsse“ nennt Bloch die Momentaufnahmen des komplexen Zirkus aus Quantenteilchen und erinnert sich an die Worte eines staunenden Kollegen, der Fotos von den Positionen einzelner Atome in einem Vielteilchensystem bislang als Science-Fiction angesehen habe. „Das Experiment hat ein neues Forschungsfeld eröffnet“, sagt Bloch stolz. „Das Gebiet ist in den letzten Jahren richtiggehend explodiert, sehr viele Gruppen weltweit arbeiten heute mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern.“

Seither hat Blochs Team die Kontrolle über das Quantensystem ständig erhöht, also seinem Quantensimulator weitere Stellschrauben hinzugefügt. Indem die Forscher daran drehen, stimulieren sie die Quantenmaterie zu physikalischen Kunststücken. Jüngst etwa haben die Forscher sie dazu gebracht, Temperaturen unter dem absoluten Nullpunkt, der bei minus 273,15 Grad Celsius liegt, anzunehmen.

Heißer als eine unendlich hohe absolute Temperatur

Rätselhaften Quantenphänomenen auf der Spur: Immanuel Bloch, Marc Cheneau und ihre Kollegen erforschen mit den leicht zu beobachtenden Atomen im optischen Gitter unbekannte Quantenphänomene. Bild vergrößern
Rätselhaften Quantenphänomenen auf der Spur: Immanuel Bloch, Marc Cheneau und ihre Kollegen erforschen mit den leicht zu beobachtenden Atomen im optischen Gitter unbekannte Quantenphänomene. [weniger]

Bei negativen absoluten Temperaturen ist die normale Temperaturverteilung der Teilchen auf den Kopf gestellt: Bei positiven Temperaturen befinden sich mehr Teilchen in Zuständen mit niedriger Energie als in energetisch höher liegenden Zuständen; erst bei unendlich hoher Temperatur verteilen die Teilchen sich über alle energetischen Zustände gleich. Bei negativer Temperatur sind die Zustände hingegen desto stärker besetzt, je energiereicher sie sind. Materie mit negativer absoluter Temperatur ist daher nicht kälter als der absolute Temperaturnullpunkt, sondern heißer als ein System mit unendlich hoher positiver Temperatur. Das äußert sich auch darin, dass bei einem Kontakt zwischen einem Material mit positiver und einem Material mit negativer Temperatur Wärme immer vom System negativer Temperatur zum System mit beliebig hoher positiver Temperatur fließt.

Damit energetisch höher liegende Zustände stärker besetzt sein können als energetisch niedrig liegende, müssen die Forscher die Energie der Atome nach oben beschränken. Dies ist bei freien Teilchen im Raum nicht möglich, da die Bewegungsenergie der Atome beliebig hohe Werte annehmen kann. Bei Atomen im optischen Gitter lässt sich dies jedoch erzielen.

Indem die Garchinger Forscher die Intensität des Laserlichtes in einer ausgefeilten Sequenz variierten und die Wechselwirkung zwischen den Atomen im richtigen Moment von anziehend auf abstoßend umschalteten, erreichten sie, dass eine Mehrzahl der Atome sich an einer oberen Energiegrenze versammelte und dort auch blieb. Sie maßen die Energieverteilung der Atome und fanden, dass sie einer negativen absoluten Temperatur von einigen milliardstel Kelvin entsprach.

Doch nicht nur zum Erzeugen neuartiger Materiezustände eignen sich Atome in optischen Gittern. Das Team nutzt diese Plattform auch, um zu erforschen, wie die Gesetze der Quantenmechanik einzelne Teilchen durch den künstlichen Kristall lenken. „Im realen Festkörper wäre es unmöglich, die Bewegung einzelner Elektronen zu verfolgen“, betont Bloch. In den künstlichen Kristallen zeigen Schnappschuss-Sequenzen die Bewegung der Atome hingegen wie in einem Film.

Und dabei trat ein merkwürdiger Effekt auf, als die Forscher eine Art Wettrennen mit Atomen im optischen Gitter veranstalteten. Hierfür benutzten sie weitere Stellschrauben, die parallele Längsbahnen in das optische Gitter prägen. In jede der Bahnen, aus denen Atome nicht ausbrechen können, setzten die Physiker entlang einer Startlinie jeweils nur ein Atom und ließen die Teilchen die Bahn entlanglaufen. Das Ergebnis überraschte sie. Denn die meisten Atome waren mit besonders flottem Tempo unterwegs, Mittelfeld und Schluss waren nur dünn besetzt. Wie sich bei einem Marathon sehr gut beobachten lässt, bewegen sich die meisten menschlichen Läufer dagegen gewöhnlich im Mittelfeld, während nur wenige vorneweg und hinterher laufen.

„Quantenmechanische Transportphänomene kann man in unserem System wunderbar orts- und zeitaufgelöst verfolgen“, sagt Bloch. „Gerade solche dynamischen Fragestellungen gehören zu der Kategorie jener Probleme, die sich in komplexeren Situationen heute selbst auf den besten Supercomputern nicht lösen lassen.

 
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