Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Störstelle mit großer Anziehungskraft

02.06.2016

MPQ-Forscher zeigen, dass eine einzige atomare Störstelle eine unbegrenzte Zahl an Bosonen an sich binden kann.

Niemand ist vollkommen, doch manchmal ist es gerade der Fehler, auf den es ankommt. So ändern sich z.B. die Eigenschaften von Halbleitern bereits drastisch bei den geringsten Änderungen der Dotierungskonzentrationen.


Anschauliche Darstellung des Einfangprozesses: Eine atomare Störstelle mit zwei Energieniveaus befindet sich an einer bestimmten Stelle in einer periodischen Struktur. Weil die atomare Anregungsfrequenz in die Energielücke des Materials passt, werden die Lichtquanten, die nach der Anregung vom Atom ausgesandt werden, innerhalb der Struktur gefangen. Grafik: MPQ, Abteilung Theorie

Und während der perfekte Diamant völlig klar ist, lassen ihn atomare Verunreinigungen hellblau, rosa oder lila schimmern, wodurch sich sein Wert unter Umständen noch erhöht. Alle diese Effekte beruhen auf Prozessen, die durch das Wechselspiel der Störstelle mit dem Quanten-Vielteilchensystem, in dem es eingebettet ist, ausgelöst werden.

Ein Team von Physikern aus der Abteilung Theorie von Prof. Ignacio Cirac am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat jetzt den allgemeineren Fall untersucht, bei dem ein Störstellenatom an ein periodisch strukturiertes „Bad“ von Bosonen koppelt (z.B. Lichtquanten in einem photonischen Kristall) und fanden dabei heraus, wie schon ein einziges Atom eine Wolke aus vielen Bosonen an sich binden kann.

Gebundene Zustände von Bosonen sind von besonderem Interesse, weil sie zu starken Wechselwirkungen mit großer Reichweite führen und so neue Bereiche für Quantensimulationen erschließen. (Phys. Rev. X 6, 021027 (2016), 25. Mai 2016).

Eine Reihe von Modellen in der Quantenoptik und der Physik der kondensierten Materie beziehen sich im Kern auf die Wechselwirkung von Spin-Störungen mit Ansammlungen von Bosonen, die zu einer Vielfalt von Phänomenen führt.

Für den Fall von Atomen, die an photonische Kristalle gekoppelt sind (das sind dielektrische Stoffe mit periodischen Schwankungen des Brechungsindex) sagen die Modelle z.B. vorher, dass ein einzelnes Atom ein einzelnes Photon lokalisiert an sich binden kann, wenn die atomare Anregungsfrequenz innerhalb der photonischen Bandlücke des Materials liegt.

Vor dem Hintergrund der jüngsten Fortschritte in der technischen Verbindung atomarer Systeme mit photonischen Kristallstrukturen erfahren solche gebundenen Atom-Photon-Zustände wieder großes Interesse, vor allem in Bezug auf Quantensimulationen, da sie erwartungsgemäß starke und weitreichende Wechselwirkungen zwischen den Atomen vermitteln.

In ihrer jetzt veröffentlichten Arbeit untersuchen Tao Shi, Ying-Hai Wu and Alejandro González-Tudela aus der Abteilung Theorie von Prof. Cirac das allgemeine Problem einer einzelnen Spin-Störung, die an ein „Bad“ von Bosonen koppelt. Dabei zeigen sie, dass ein einzelnes Atom tatsächlich nicht nur ein einzelnes Boson, sondern sogar unbegrenzt viele Bosonen räumlich an sich binden kann. Vereinfacht ausgedrückt, erzeugt die Kopplung der Störstelle an das bosonische Bad ein effektives Potential, das die Bosonen gewissermaßen einsperrt.

Das gilt vor allem, wenn sich das Atom in einem photonischen Kristall befindet, wo es eine Wolke von vielen Photonen an sich binden kann. Darüber hinaus liefern die Autoren einen Ansatz, mit dem sie das Verhalten der gebundenen Zustände im gesamten Parameterraum beschreiben können. Dabei decken sie die Existenz vieler verschiedener Bereiche auf, in denen die physikalischen Eigenschaften, wie etwa die Energie oder die Größe der gebundenen Zustände, unterschiedlich skalieren.

Da das Modell sehr allgemein ist, können diese gebundenen Zustände möglicherweise mit unterschiedlichen experimentellen Plattformen präpariert und beobachtet werden, angefangen bei Atomen, die an photonische Kristalle gekoppelt sind, über Schaltkreis-Quantenelektrodynamik bis zu kalten Atomen in zustandsabhängigen optischen Gittern. Die Existenz dieser gebundenen bosonischen Zustände erweitert die Möglichkeiten dieser Plattformen, neue exotische Vielteilchen-Phänomene zu simulieren. [AGT/OM]

Originalveröffentlichung:

Tao Shi, Ying-Hai Wu, A. González-Tudela, and J. I. Cirac
Bound states in boson impurity models
Phys. Rev. X 6, 021027 (2016), 25 May 2016

Kontakt:

Prof. Dr. J. Ignacio Cirac
Honorarprofessor TU München und
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -705 /-736
Telefax: +49 (0)89 / 32 905 -336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de

Dr. Alejandro González-Tudela
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -127
E-Mail: alejandro.gonzalez-tudela@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 Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie