Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Den magischen Zahlen der Quantenmaterie mit kalten Atomen auf der Spur

08.01.2015

Internationales Forscherteam bestimmt die topologische Zahl eines künstlichen Festkörpers in extremen Magnetfeldern

Die Topologie ist eigentlich ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit der Klassifizierung von geometrischen Objekten befasst. In der Physik wird sie dazu genutzt außergewöhnliche Zustände der Materie, sogenannte topologische Zustände, vorherzusagen und zu beschreiben, die gewöhnlich bei tiefen Temperaturen auftreten. Ihre einzigartigen elektrischen Eigenschaften machen sie interessant für eine Reihe technologischer Anwendungen.


Abb.1: Klassifizierung geometrischer Objekte und Topologie von Quantenmaterie.

Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU


Abb. 2: Schematische Darstellung der Chernzahl-Messung durch Anlegen einer Kraft.

Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU

Die große Stabilität dieser topologischen Zustände beruht auf den für sie charakteristischen magischen ganzen Zahlen, den sogenannten Chernzahlen, die besonders unempfindlich gegenüber Störungen sind. Erstmals ist es nun einem internationalen Forscherteam gelungen, die topologische Chernzahl in einem nicht-elektronischen System mit hoher Präzision zu messen.

Die Experimente wurden in der Gruppe von Prof. Immanuel Bloch (Ludwig-Maximilians-Universität, München und Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching) in Zusammenarbeit mit Nathan Goldman und Sylvain Nascimbène vom Collège de France in Paris und Nigel Cooper von der Cambridge University an einem System aus ultrakalten bosonischen Atomen durchgeführt.

Unter extremen Bedingungen wie besonders starken Magnetfeldern und sehr tiefen Temperaturen können sich exotische Materiephasen mit äußerst ungewöhnlichem elektrischen Verhalten bilden, zum Beispiel dem verlustfreien Leiten elektrischer Ströme oder dem Auftreten quantisierter elektrischer Widerstände. Diese Materiephasen sind topologische Zustände, die durch magische (topologische) Zahlen beschrieben werden.

Diese werden in der Mathematik zur Klassifizierung abstrakter geometrischer Objekte verwendet [zum Beispiel die Anzahl von Löchern in einer Oberfläche, Abb. 1a] und sind stabil gegenüber kleinen Formänderungen. Die Tatsache, dass bestimmten Quantenzuständen von Materie topologische Zahlen zugeordnet werden können, macht deren elektrische Eigenschaften robust gegenüber Störungen. Deshalb hofft man, diese Zustände für technologische Anwendungen, z.B. in der Spintronik oder in Quantencomputern, nutzen zu können, was die experimentelle Suche nach neuen Materialien mit topologischen Eigenschaften motiviert.

Topologische Zustände wurden erstmals im Zusammenhang mit dem Quanten-Hall-Effekt entdeckt, für dessen Beobachtung 1985 der Nobelpreis verliehen wurde. Darunter versteht man das Phänomen, dass der elektrische Widerstand in Materialien, welche extremen Magnetfeldern ausgesetzt sind, bei ausreichend niedrigen Temperaturen große stabile Plateaus aufweist.

Dieses Verhalten zeigt sich unabhängig von der Probe. Erstaunlicherweise hat diese universelle Eigenschaft ihren Ursprung in der Topologie, denn jedes Plateau in der Widerstandsmessung wird durch eine topologische Zahl, die Chernzahl, bestimmt. „Die besondere Schönheit dieses Ergebnisses liegt darin, dass diese magischen mathematischen Zahlen die intrinsischen Eigenschaften der Elektronen, die sich in dem Material bewegen, widerspiegeln; es ist erstaunlich, dass diese abstrakten Zahlen zu tatsächlich beobachtbaren Phänomenen führen“, sagt der Theoretiker Nathan Goldman.

Eine interessante Möglichkeit, topologische Phasen von Materie zu untersuchen, stellen syn-thetische Materialien aus kalten Atomen dar, die durch Laserstrahlen kontrolliert werden. In diesen sehr flexiblen und gut kontrollierbaren Experimenten werden neutrale Atome in perio-dischen Strukturen gefangen, die durch stehende optische Wellen erzeugt werden. Kalte Atome, die sich in diesen optischen Gittern bewegen, eignen sich gut dafür, das Verhalten von Elektronen in realen Materialien nachzubilden.

Im Gegensatz zu Elektronen sind Atome jedoch elektrisch neutral; in einem externen Magnetfeld wäre aus diesem Grund kein Hall-Effekt zu beobachten. Das Münchner Team entwickelte deshalb neue experimentelle Metho-den, mit denen künstliche Magnetfelder für neutrale Atome erzeugt wurden. In diesen Auf-bauten verhalten sich Atome wie geladene Teilchen in Magnetfeldern und bieten somit eine neue Möglichkeit, topologische Phasen in einer besonders gut kontrollierbaren und reinen Umgebung zu erforschen.

Der optische Gitteraufbau in den Münchner Experimenten wurde speziell dazu entworfen um topologische Eigenschaften zu untersuchen (Abb. 1b). In der Tat führt ein effektives Magnet-feld im Gitter dazu, dass die kalten Atome durch eine von Null verschiedene, topologische Chernzahl ausgezeichnet sind νch = 1. Nathan Goldman erklärt: „In Analogie zum elektrischen Hall-Effekt erwartet man, dass die Atome eine transversale Bewegung relativ zu der auf sie wirkenden Kraft erfahren (Abb. 2). Darüber hinaus sagt unsere Theorie vorher, dass diese transversale Ablenkung proportional zur topologischen Chernzahl (νch = 1) ist.“

Die Experimentalphysiker haben eine Kraft an die Atome im optischen Gitter gelegt und die re-sultierende Ablenkung mithilfe von Bildern der Atomwolke analysiert. Aus diesen Messungen konnten sie einen experimentellen Wert der Chernzahl νexp = 0.99(5) bestimmen. Dieses Er-gebnis stellt die erste Chernzahl-Messung in einem nicht-elektronischen System dar. Im Ge-gensatz zu elektronischen Messungen, die auf Randströmen beruhen, gehen in die Münchner Messung die Eigenschaften des ganzen Quantensystems ein.

Diese Messungen stellen einen wichtigen Schritt zur Erzeugung und zum Nachweis topolo-gischer Zustände mit ultrakalten Atomen dar. Darüber hinaus könnten Wechselwirkungen zwischen den Atomen zu neuen spannenden Materiezuständen führen, wie zum Beispiel die fraktionalen Chern-Isolatoren. [N.G. und M.A.]

Bildunterschriften:

Abb.1: Klassifizierung geometrischer Objekte und Topologie von Quantenmaterie. a. Die drei darge-stellten geometrischen Objekte können durch ihre Topologie, die Anzahl der vorhandenen Löcher g in der Oberfläche, klassifiziert werden. Ein Doughnut ist in diesem Sinne äquivalent zu einer Tasse (g=1), jedoch nicht zu einem Ball (g=0). b. Schematische Darstellung eines Quantengases in einem zweidimensionalen optischen Gitter: ein herkömmliches Gitter (links) und eines mit externem Magnetfeld (rechts). Die zugehörigen Quantenphasen werden durch unterschiedliche topologische Zahlen charakterisiert, was schematisch mithilfe des Balls bzw. des Doughnuts dargestellt ist.

Abb. 2: Schematische Darstellung der Chernzahl-Messung durch Anlegen einer Kraft. a. In einem gewöhnlichen Gitter mit Chernzahl Null werden die Atome nicht abgelenkt. b. Bei einer Chernzahl νch = 1 erfahren die Atome eine Ablenkung senkrecht zur Kraft.

Originalveröffentlichung:
M. Aidelsburger, M. Lohse, C. Schweizer, M. Atala, J. T. Barreiro, S. Nascimbene, N. R. Cooper, I. Bloch & N. Goldman
Measuring the Chern number of Hofstadter bands with ultracold bosonic atoms
Nature Physics, 22. Dezember 2014, Advance Online Publication, DOI:10.1038/nphys3171

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

Prof. Dr. Nathan Goldman
Collège de France, Laboratoire Kastler Brossel
11, place Marcelin Berthelot
75005 Paris, France, und
Center for Nonlinear Phenomena and Complex Systems,
Université Libre de Bruxelles, CP 231, Campus Plaine,
B-1050 Brussels, Belgium
Telefon: +32 2 6505797
E-mail: nathan.goldman@lkb.ens.fr und ngoldman@ulb.ac.be

M. Sc. Monika Aidelsburger
LMU München, Fakultät für Physik
Schellingstr. 4, 80799 München
Telefon: +49 (0)89 / 2180 -6119
E-Mail: monika.aidelsburger@physik.uni-muenchen.de

Weitere Informationen:

http://www.mpq.mpg.de
http://www.quantum-munich.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

nachricht In einem Quantenrennen ist jeder Gewinner und Verlierer zugleich
27.03.2017 | Universität Wien

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: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fließender Übergang zwischen Design und Simulation

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Industrial Data Space macht neue Geschäftsmodelle möglich

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Neue Sicherheitstechnik ermöglicht Teamarbeit

27.03.2017 | HANNOVER MESSE