Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Lichtkristall mit Drehsinn

29.10.2013
Seit mehr als 40 Jahren verfolgen Physiker das Ziel, das komplexe Verhalten von Elektronen in zweidimensionalen Kristallen unter dem Einfluss starker Magnetfelder experimentell zu erforschen.

Jetzt ist es einem Team von Wissenschaftlern um Prof. Immanuel Bloch (Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Ludwigs-Maximilians-Universität München und Direktor am MPQ) in Zusammenarbeit mit der theoretischen Physikerin Dr. Belén Paredes (CSIC/UAM Madrid) gelungen, mit einer neu entwickelten experimentellen Methode zweidimensionale Festkörperkristalle mit künstlichen Gittern aus neutralen Atomen und Laserlicht zu simulieren.


Abbildung 1:
Zyklotron-ähnliche Bewegung der Atome in einem speziell erzeugten Lichtkristall unter Einfluss eines sehr starken effektiven Magnetfeldes. Die experimentell erzeugten effektiven Feldstärken sind für natürlich vorkommende Materialien vergleichbar mit einem Magnetfeld von einigen 10.000 Tesla. Im Experiment wurde sowohl der berühmte Hofstadter-Harper als auch der Quantum Spin Hall Hamilton-Operator verwirklicht.

In diesen künstlichen Quantenmaterialien können die Atome effektiven Magnetfeldern ausgesetzt werden, die einige tausende Male stärker sind als es in natürlich vorkommenden Festkörpern zu realisieren wäre (Phys. Rev. Lett. 111, 185301, 2013).

Geladene Teilchen in Magnetfeldern erfahren eine Kraft senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung – die Lorentz-Kraft. Die Lorentz-Kraft zwingt die Teilchen, sich auf Kreisbahnen, sogenannten Zyklotron-Orbits, senkrecht zur Magnetfeldrichtung zu bewegen. Ein ausreichend großes Magnetfeld kann so die Eigenschaften eines Materials dramatisch verändern und neue Quantenphänomene wie z. B. den Quanten Hall Effekt hervorrufen. Der Radius der Zyklotron-Orbits nimmt dabei mit zunehmender Magnetfeldstärke ab. Für übliche Magnetfeldstärken ist er weit größer als der Abstand zwischen benachbarten Ionen im Material, so dass der Einfluss des Kristallpotentials zu vernachlässigen ist. Bei sehr starken Magnetfeldern sind Ionen-Abstand und Zyklotron-Bahnen jedoch vergleichbar groß, und das Zusammenspiel zwischen Magnetfeld und Kristallpotential führt zu eindrucksvollen neuen Effekten.

Diese zeigen sich beispielsweise in einer fraktalen Struktur des Energiespektrums der Elektronene, welches erstmals 1976 von Douglas Hofstadter vorhergesagt wurde und als „Hofstadter-Schmetterling“ bekannt ist. Viele faszinierende elektronische Materialeigenschaften sind damit verbunden, jedoch war es bisher nicht möglich, das Problem in seiner vollen Komplexität zu untersuchen.

In natürlich vorkommenden Materialien ist der Abstand zwischen benachbarten Ionen sehr klein. Daher ist es schwierig, den Bereich des Hofstadter-Schmetterlings zu realisieren – man würde Magnetfeldstärken benötigen, die sich mit vorhandenen Mitteln nicht erzeugen lassen. Einen Ausweg stellen künstlich hergestellte Materialien dar, deren Gitterkonstanten effektiv größer sind, wie z.B. Systeme aus zwei überlagerten Schichten aus Graphen und Bornitrid.

Die Experimente des Münchner Wissenschaftlerteams folgen einem alternativen Ansatz. Hier werden starke Magnetfelder künstlich erzeugt, indem ultrakalte Atome speziell angelegten Laserfeldern ausgesetzt werden. Das untersuchte Quantensystem besteht aus Rubidium-Atomen, die mithilfe von stehenden Wellen in periodischen Strukturen gefangen werden. „Die Atome können sich nur in Bereichen hoher Lichtintensitäten aufhalten und ordnen sich daher in einer 2D Struktur an, die sich anschaulich mit der Form eines Eierkarton vergleichen lässt.“, erklärt Monika Aidelsburger, eine Physikerin im Team von Prof. Bloch. „Die Laserstrahlen übernehmen die Rolle des Ionenkristalls und die Atome die der Elektronen.“

Einen Haken gibt es dabei jedoch: da die Atome elektrisch neutral sind, erfahren sie auch in einem externen Magnetfeld keine Lorentz-Kraft, die sie auf kreisförmige Bahnen zwingt. Die Aufgabe bestand darin, mit einer neuen Technik diesen Effekt der Lorentz-Kraft für neutrale Teilchen nachzuahmen. Eine Verknüpfung aus Verkippen und gleichzeitigem Schütteln des Gitters mithilfe zweier zusätzlicher Laserstrahlen hatte die gewünschte Wirkung: die Atome bewegten sich im Gitter auf zyklotron-ähnlichen Bahnen, so wie geladene Teilchen in einem externen Magnetfeld. Auf diesem Weg gelang es dem Team künstliche Magnetfelder zu erzeugen, die stark genug sind um die Quantenphänomene im Bereich des Hofstadter-Schmetterlings zu untersuchen.

Zusätzlich gelang es den Wissenschaftlern den sogenannten Spin-Hall-Effekt zu beobachten: zwei Teilchen mit entgegengesetztem Spin spüren ein Magnetfeld derselben Stärke, jedoch mit jeweils entgegengesetzter Richtung. Infolgedessen sind auch die Richtung der Lorentz-Kraft und die Zyklotron-Bewegung für die beiden Spins entgegengesetzt. Die beiden Spin-Zustände werden in diesen Experimenten durch zwei verschiedene Zustände der Rubidium Atome realisiert.

In zukünftigen Experimenten könnte diese Methode dazu dienen die komplexe Physik des Hofstadter-Modells mithilfe des defektfreien und gut kontrollierbaren Systems von ultrakalten Atomen in optischen Gittern experimentell zu untersuchen. Die direkte Beobachtung der mikroskopischen Bewegung der Teilchen im Gitter mit neuen experimentellen Techniken wie z. B. dem Quantengas-Mikroskop könnte zu einem besseren Verständnis von Materialeigenschaften führen. Darüber hinaus könnte die neue Methode auch den Weg bereiten für die Entdeckung und Erforschung neuer Quantenphasen von Materialien unter extremen experimentellen Bedingungen. [M.A].

Originalveröffentlichung:

M. Aidelsburger, M. Atala, M. Lohse, J. T. Barreiro, B. Paredes and I. Bloch
Realization of the Hofstadter Hamiltonian with ultracold atoms in optical lattices

Physical Review. Letters 111, 185301 (2013)

Kontakt:

Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU München
Schellingstr. 4, 80799 München, und
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
M.Sc. Monika Aidelsburger
LMU München
Telefon: +49 89 2180 6119
E-Mail: monika.aidelsburger@physik.uni-muenchen.de
Dr. Belén Paredes
Instituto de Física Teórica UAM/CSIC
C/Nicolás Cabrera 13-15
Cantoblanco
28049 Madrid, Spain
Telefon: +34 91 299 9862
E-Mail: belen.paredes@csic.es

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.quantum-munich.de/media/
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Highlight der Halbleiter-Forschung
20.02.2018 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Beobachtung und Kontrolle ultraschneller Prozesse mit Attosekunden-Auflösung
20.02.2018 | Technische Universität München

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: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kameratechnologie in Fahrzeugen: Bilddaten latenzarm komprimiert

21.02.2018 | Messenachrichten

Mit grüner Chemie gegen Malaria

21.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Periimplantitis: BMBF fördert zahnärztliches Verbund-Projekt mit 1,1 Millionen Euro

21.02.2018 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics