Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakalte Atome im „Rydberg-Kleid“

10.08.2016

Wissenschaftler von MPQ (Garching) und MPIPKS (Dresden) haben eine neue Methode entwickelt, Atome über große Distanzen miteinander wechselwirken zu lassen.

Viele Eigenschaften der Alltagswelt lassen sich erklären, wenn man sich Atome als kleine, feste Kugeln oder Murmeln vorstellt, die sich nur spüren, wenn sie in direkte Berührung miteinander kommen. So ist zum Beispiel die Temperatur der uns umgebenden Raumluft das Ergebnis unzähliger, ständig ablaufender Kollisionen zwischen ihren Bestandteilen.


Abb. 1: Aus dem dicht mit Atomen gefüllten Startzustand (links) bildet sich durch die weit reichende Wechselwirkung eine Ringstruktur aus (rechts).

Grafik: MPQ, Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme


Abb. 2: Die Art der Wechselwirkung lässt sich durch Licht kontrollieren, von winkelunabhängig (links und Mitte) zu winkelabhängig (rechts).

Grafik: MPQ, Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme

Im Gegensatz dazu kennen wir aber auch Effekte, die sich aus dem Zusammenspiel zweier weit voneinander entfernter Gegenstände ergeben. Bekannte Beispiele dafür sind zwei Magneten, die sich auch in einiger Entfernung beeinflussen können, oder auch die durch elektrische Anziehung hervorgerufene Bildung eines Salzkristalles als regelmäßige Anordnung von positiv geladenen Natrium- und negativ geladenen Chlor-Ionen.

In der mikroskopischen Quantenwelt sind solche Beeinflussungen auf Distanz von besonderem Interesse, da sie grundlegende, bereits bekannte Phänomene wie die Bildung von geordneten Kristallen bewirken, aber auch neuartige, bisher nicht erforschte Zustände von Materie versprechen.

Darüber hinaus lassen sich solche langreichweitig wechselwirkenden Systeme auf fundamentaler Ebene theoretisch nur sehr schwer beschreiben, weshalb experimentellen Untersuchungen eine umso größere Bedeutung zukommt.

Nun hat ein Forscherteam um Dr. Christian Groß und Prof. Immanuel Bloch (MPQ Garching) in Zusammenarbeit mit Dr. Thomas Pohl (MPIPKS Dresden) eine neue Methode entwickelt, Atome über große Distanzen miteinander wechselwirken zu lassen. (Nature Physics, 1. August 2016). Kernelement ihrer Methode ist das sogenannte „Rydberg-dressing“, bei dem die fundamentale Eigenschaft der Quantenmechanik ausgenutzt wird, dass sich ein Quantenobjekt in zwei verschiedenen Zuständen gleichzeitig befinden kann.

Zur Veranschaulichung dieses Phänomens wird gerne die von dem theoretischen Physiker Erwin Schrödinger ersonnene Katze heran gezogen, die sich in einer abgeschlossenen Kiste in einer Überlagerung der Zustände „tot“ und „lebendig“ befindet. Auch im vorliegenden Experiment werden Atome in eine Überlagerung aus zwei Zuständen gebracht. „Der Trick bestand darin, neben dem energetisch niedrigsten Zustand einen hochangeregten „Rydberg-Zustand“ zu wählen“, erklärt Johannes Zeiher, Doktorand am Experiment.

„Diese exotischen Zustände zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass der Durchmesser der Atome auf das ca. 1000 fache anwächst. Deshalb können sich Rydberg-Atome über große Distanzen beeinflussen.“ Der Haken dabei ist jedoch, dass Rydberg-Atome instabil sind und in sehr kurzer Zeit zerfallen. Doch auch diese Hürde umgehen die Wissenschaftler, indem sie die Überlagerung so einstellen, dass sich ein Atom nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit im Rydberg-Zustand befindet. „Gewissermaßen erhält jedes Atom nur ein sehr dünnes „Rydberg-Kleid“, das von anderen, weit entfernten Atomen aber trotzdem wahrgenommen wird und diese auf Distanz beeinflussen kann“, erklärt Christian Groß, Leiter des Experimentes.

In ihrem Experiment erzeugten die Physiker zunächst mittels Laserkühlung ein ultrakaltes Gas aus Atomen des Alkali-Metalls Rubidium-87. Aus diesem Gas wurden ca. 200 Atome in ein sogenanntes optisches Gitter überführt, eine periodische Anordnung kleiner Lichtfallen, die aus der Überlagerung mehrerer Lichtstrahlen entsteht. Innerhalb einer Ebene ist jede dieser mikroskopisch kleinen Lichtfallen so dimensioniert, dass sie genau ein Atom aufnehmen kann.

Die resultierende Ordnung der Atome lieferte einen gut kontrollierten Startzustand für den nächsten, entscheidenden Schritt: der Erzeugung des Rydberg-dressing durch Bestrahlung der Atome mit hochintensivem ultraviolettem Laser-Licht. In diesem aus Licht gewobenen „Rydberg-Kleid“ begannen die Atome, sich auf die Distanz zu spüren und sich gegenseitig zu beeinflussen, ähnlich wie sich die Pole von zwei Magneten in der Alltagswelt abstoßen oder anziehen können. Ein entscheidender Unterschied im mikroskopischen System ist allerdings die Möglichkeit, diese Wechselwirkung durch das An- und Ausschalten des ultravioletten Lasers zu kontrollieren.

Für den Nachweis der so erzeugten langreichweitigen Wechselwirkungen wählten die Experimentatoren eine interferometrische Technik, die eine besonders empfindliche Vermessung des Systems zulässt. Dabei werden die „bekleideten Atome“, bei denen dem Grundzustand der Rydberg-Zustand überlagert ist, mit gewöhnlichen Atomen verglichen. Die gegenseitige Anziehung oder Abstoßung der Rydberg-Atome hinterlässt charakteristische Spuren im Interferenzmuster. Diese können die Physiker nachweisen, indem sie die Atome mittels eines sehr guten Fluoreszenz-Mikroskops einzeln in den Lichtfallen abbilden.

In einem ersten Experiment gelang der direkte Nachweis, dass sich die Atome über große Distanzen wahrnehmen. Infolgedessen wird das Verhalten jedes Atoms von allen seinen Nachbarn mitbestimmt. Abbildung 1 zeigt sowohl die Anfangsverteilung der ca. 200 Atome, die eine Scheibe gleichmäßig ausfüllen, als auch das sich ergebende Interferenzmuster für die Atome in Überlagerung mit dem Rydberg-Zustand. Der Rand des Systems tritt als Ringstruktur besonders hervor, weil den Atomen dort nach außen jeweils die Nachbarn fehlen.

Durch eine tiefere Analyse der Strukturen in den Interferenzmustern wurde die Wechselwirkung genauer vermessen und charakterisiert. Die Experimente bestätigten dabei mit großer Genauigkeit die theoretischen Vorhersagen. Ein besonders interessanter Effekt ist, dass mithilfe des Lichtes auch eine winkelabhängige Wechselwirkung erzeugt werden kann (Abbildung 2). Das bedeutet, dass sich zwei nebeneinander liegende Atome unterschiedlich wahrnehmen, je nachdem, ob sie z.B. von links nach rechts oder senkrecht dazu aufeinander folgen.

„Auch dieses Phänomen lässt sich auf makroskopischer Ebene bei zwei Magneten beobachten, die sich unterschiedlich stark abstoßen oder anziehen, je nachdem ob man sie neben- oder voreinander anordnet“, so Christian Groß. Bei Natrium- und Chlorid-Ionen hingegen liegt der Kristallbildung eine winkelunabhängige Wechselwirkung zugrunde. Diese einfachere Art der Wechselwirkung konnten die Physiker ebenfalls mit Laserstrahlen gezielt einstellen (Abbildung 2).

Den Forschungsgruppen um Immanuel Bloch, Christian Groß und Thomas Pohl ist es gelungen, eine neuartige Form der Wechselwirkung zwischen zwei Atomen zu induzieren und zu charakterisieren. Die Kontrolle über diese Wechselwirkung mithilfe von Licht öffnet die Tür zur Erforschung mikroskopischer Systeme, in denen Atome wie kleine Magnete wirken und miteinander über weite Entfernungen wechselwirken. Solche Systeme versprechen die Untersuchung einer großen Vielfalt spannender Phänomene, zum Beispiel auch eines bisher nicht experimentell nachgewiesenen „Super-Festkörpers“, der fest und flüssig zugleich ist. [JZ/OM]

Originalveröffentlichung:

Johannes Zeiher, Rick van Bijnen, Peter Schauß, Sebastian Hild, Jae-yoon Choi, Thomas Pohl, Immanuel Bloch, and Christian Groß
Many-body interferometry of a Rydberg-dressed spin lattice
Nature Physics, 1. August 2016, DOI: 10.1038/NPHYS3835

Kontakt:

Dr. Christian Groß
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 32 905 - 713
E-Mail: christian.gross@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU München
Schellingstr. 4, 80799 München
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -138
E-Mail: immanuel.bloch@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt
17.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Vorhersagen bestätigt: Schwere Elemente bei Neutronensternverschmelzungen nachgewiesen
17.10.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

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: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz