Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atome tanzen keinen „Bose Nova“

04.09.2009
Angeregter, stark korrelierter Vielteilchenzustand erzeugt
Das Verhalten von ultrakalten Quantengasen in einer Raumdimension haben Physiker um Hanns-Christoph Nägerl untersucht. Dabei ist es ihnen erstmals gelungen, einen exotischen Zustand zu erzeugen, bei dem die Gesetze der Quantenmechanik dafür sorgen, dass sich Atome entlang der eindimensionalen Struktur aufreihen. Obwohl sich die Atome stark anziehen und das System deshalb eigentlich kollabieren müsste, entsteht ein stabiler Vielteilchenzustand mit neuen quantenmechanischen Eigenschaften. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Science.

Wechselwirkungseffekte äußern sich in niedrigdimensionalen Systemen wesentlich drastischer als im dreidimensionalen Raum. Solche Strukturen sind deshalb für die Physik von besonderem Interesse. Neben nulldimensionalen Quantenpunkten und zweidimensionalen Quantenflächen kennt die Physik auch eindimensionale Quantendrähte. Das sind räumliche Potentialstrukturen, in denen Ladungsträger sich nur in einer Dimension bewegen können. Während Quantenpunkte und Quantenflächen relativ einfach hergestellt und analysiert werden können, lassen sich Quantendrähte an Festkörpern nur sehr schwer untersuchen. Physiker um Hanns-Christoph Nägerl vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gingen deshalb einen ganz anderen Weg: Sie haben in einer Wolke aus ultrakalten Atomen eindimensionale Strukturen erzeugt und deren Eigenschaften genau analysiert.
Überraschende Beobachtung
In einer Vakuumkammer bilden die Forscher dazu ein Bose-Einstein-Kondensat aus rund 40.000 ultrakalten Cäsium-Atomen. Mit Hilfe von zwei Laserstrahlen erzeugen sie dann ein optisches Gitter, in dem sich die Atome in vertikalen, eindimensionalen Strukturen anordnen. Jeweils bis zu 15 Atome stapeln sich dabei übereinander auf. Durch das Laserlicht werden sie daran gehindert, aus der Reihe zu tanzen oder mit anderen Atomen den Platz zu tauschen. Über ein Magnetfeld können die Forscher die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Atomen justieren: „Vergrößern wir die Anziehungskraft zwischen den Atomen (attraktive Wechselwirkung), bewegen sich diese aufeinander zu und der Stapel von Atomen fällt in sich zusammen“, erklärt Nägerl den in der Fachwelt als „Bose Nova“ bezeichneten Effekt. „Lassen wir hingegen die Atome einander abstoßen (repulsive Wechselwirkung), reihen sie sich in regelmäßigem Abstand entlang der eindimensionalen Struktur auf und es entsteht ein sehr stabiles System.“ Ein überraschender Effekt zeigt sich allerdings, wenn sich die Wechselwirkung zwischen den Atomen schnell von stark abstoßend nach stark anziehend ändert. „Dann erreichen wir einen exotischen, gasähnlichen Zustand, in dem die Atome angeregt sind, sich anziehen, aber nicht aufeinander zu bewegen können und die ‚Bose Nova’ ausbleibt“, sagt Nägerl. Nachgewiesen wird der Zustand, indem das Quantengas leicht zusammengedrückt und dessen Steifigkeit gemessen wird. Der angeregte Vielteilchenzustand kann allerdings nur dann erreicht werden, wenn der Umweg über die repulsive Wechselwirkung gegangen wird. „Dieser vor vier Jahren vorhergesagte Zustand konnte jetzt erstmals experimentell erzeugt werden“, freut sich Elmar Haller, der Erstautor der nun in dem renommierten Fachmagazin Science veröffentlichten Forschungsarbeit. Die Erforschung niedrigdimensionaler Strukturen erfährt derzeit international große Aufmerksamkeit und könnte etwa dabei helfen, die Funktionsweise von Hochtemperatursupraleitern in Zukunft besser zu verstehen.
Kalte Atome als ideales Experimentierfeld
„Ultrakalte Quantengase haben den großen Vorteil, dass sie sehr gut gegenüber der Umwelt isoliert werden können“, erklärt Nägerl. „Außerdem können wir in unserem Experiment Defekte, wie sie in Festkörpern häufig vorkommen, praktisch ausschließen.“ Damit steht den Innsbrucker Quantenphysikern eine ideale Versuchanordnung für das Studium der Eigenschaften von Quantendrähten zur Verfügung. Zugute kommt dem Team um Nägerl dabei auch die langjährige, erfolgreiche Arbeit mit ultrakalten Atomen und Molekülen, in der die Innsbrucker Arbeitsgruppe um Wittgenstein-Preisträger Prof. Rudolf Grimm international eine führende Rolle einnimmt. Neben den ersten Bose-Einstein-Kondensaten aus Cäsiumatomen und aus Molekülen haben die Forscher auch exotische Effekte wie den Efimov-Zustand und repulsive Quantenpaare weltweit erstmals im Experiment nachgewiesen. „Diese Arbeit von Hanns-Christoph Nägerl und seinem Team unterstreicht einmal mehr den internationalen Stellenwert unserer Forschungen“, freut sich Rudolf Grimm. Bei diesem Projekt profitierten die Experimentalphysiker aber auch von der engen Vernetzung mit den Theoretischen Physikern in der Quantenphysik-Hochburg Innsbruck. Finanziell unterstützt wurden die Forscher um START-Preisträger Hanns-Christoph Nägerl vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union.

Erzeugung der eindimensionalen Röhren. Ein rück-reflektierter Laserstrahl erzeugt eine stehende Welle und bildet ein Potential, das die Atome auf Kreisscheiben (grau) einschließt. Wenn zwei dieser Laserstrahlen gekreuzt werden, zwingen sie die Atome, sich entlang einer eindimensionalen Röhre anzuordnen (rot).

Publikation: Realization of an Excited, Strongly-Correlated Quantum Gas Phase. Haller E, Gustavsson M, Mark MJ, Danzl JG, Hart R, Pupillo G, Nägerl HC. Science 4. September 2009 (DOI:10.1126/science.1175850)

Rückfragehinweis:
Prof. Hanns-Christoph Nägerl
Institut für Experimentalphysik
Technikerstraße 25, A-6020 Innsbruck, Austria
Tel: +43 512 507-6316
Mobil: +43 699 18143164
E-Mail: Christoph.Naegerl@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Innrain 52, A-6020 Innsbruck, Austria
Tel.: +43 512 507 32022
Mobil: +43 650 5777122
E-Mail: presse@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at
http://www.uibk.ac.at/public-relations/presse/medienservice/index.html#pa87
http://www.ultracold.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner
14.12.2017 | Technische Universität München

nachricht Eine blühende Sternentstehungsregion
14.12.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik