Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantensimulation 2.0: Atome in Fernbeziehungen

08.04.2016

Ein Team um die Experimentalphysikerin Francesca Ferlaino und den Theoretiker Peter Zoller hat erstmals in einem optischen Gitter die magnetische Wechselwirkung zwischen weit auseinanderliegenden, ultrakalten Teilchen gemessen. Mit der in dieser Woche in der Fachzeitschrift Science publizierten Arbeit eröffnen die Forscherinnen und Forscher eine neue Dimension der Quantensimulation.

Simulationen sind ein beliebtes Werkzeug, um Probleme, die durch Experimente nicht zugänglich sind, im Detail zu studieren. So können viele physikalische Prozesse in Materialien bis heute nicht untersucht werden.


Mit einem Magnetfeld kann die Ausrichtung der vielen Minimagneten direkt verändern und damit sehr genau gesteuert werden, wie die Teilchen miteinander wechselwirken.

Erbium-Team/Simon Baier

Die Materialeigenschaften werden von den Wechselwirkungen einzelner Teilchen bestimmt und diese können nicht direkt gemessen werden. Da klassische Computer bei solch komplexen Simulationen rasch an ihre Grenzen stoßen, hat Richard Feynman bereits Anfang der 1980er-Jahre vorgeschlagen, diese Probleme in einem Quantensystem zu simulieren.

Ignacio Cirac und Peter Zoller präsentierten vor zwei Jahrzehnten konkrete Konzepte, wie Quantenprobleme mit ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter erforscht werden können. Diese Idee hat sich in den vergangenen Jahren sehr bewährt und eine breite experimentelle Anwendung gefunden.

„Wir können die ultrakalten Teilchen im Labor sehr gut kontrollieren und erhalten so einen großartigen Einblick in deren physikalische Eigenschaften“, erzählt Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Gemeinsam mit Theoretikern um Peter Zoller hat ihr Team diesen Ansatz für Quantensimulationen einem weiteren wichtigen Test unterzogen und damit die Forschung einen wesentlichen Schritt vorangebracht. Die Physiker bestimmten erstmals quantitativ die langreichweitige Wechselwirkung zwischen magnetischen Atomen.

Experimentierkasten für Materie

Alle bisherigen Arbeiten waren auf die Wechselwirkung von Teilchen beschränkt, die sehr nahe beieinanderliegen. „Wir arbeiten aber mit stark magnetischen Atomen, welche wir auch über große Distanzen aufeinander wirken lassen können“, sagt Mitautor Manfred Mark. Zunächst erzeugen die Physiker im Labor ein Bose-Einstein-Kondensat aus Erbiumatomen und laden es in ein dreidimensionales Gitter aus Laserstrahlen, das wie ein künstlicher Kristall aus Licht funktioniert.

In diesem simulierten Festkörperkristall ordnen sich die Teilchen wie in einem Eierkarton an. Im Innsbrucker Experiment liegen die Teilchen etwa das Siebenfache der Ausdehnung ihrer Wellenfunktion voneinander entfernt. „Mit einem Magnetfeld können wir die Ausrichtung der vielen Minimagneten direkt verändern und damit sehr genau steuern, wie die Teilchen miteinander wechselwirken – ob sie sich anziehen oder abstoßen“, erläutert Erstautor Simon Baier.

Suche nach exotischen Quantenphasen

„Die Zusammenarbeit mit Peter Zoller, Cai Zi und Mikhail Baranov war enorm wichtig, um unsere Messergebnisse umfassend zu verstehen“, betont Francesca Ferlaino. „Unsere Arbeit ist ein weiterer Schritt für ein besseres Verständnis der Materie, denn die Verhältnisse sind hier wesentlich komplizierter als in bisher untersuchten ultrakalten Quantengasen.“

Das Experiment ist auch ein wichtiger Schritt auf der Suche nach exotischen Quantenphasen wie Schachbrett- oder Streifenmuster, die durch diese langreichweitigen Wechselwirkungen entstehen können. „Unsere Arbeit ebnet den Weg, um solche Phasen bald messen zu können“, blickt Simon Baier bereits in die Zukunft. „Auch in unserem Experiment sollte dies grundsätzlich möglich sein. Dafür müssen wir die Atome aber noch weiter abkühlen – von momentan 70nK auf etwa 2nK.“

Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem europäischen Forschungsrat ERC.

Publikation: Extended Bose-Hubbard models with ultracold magnetic atoms. S. Baier, M. J. Mark, D. Petter, K. Aikawa, L. Chomaz, Z. Cai, M. Baranov, P. Zoller, F. Ferlaino. Science 2016
DOI: 10.1126/science.aac9812

Rückfragehinweis:
Univ.-Prof. Dr. Francesca Ferlaino
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 676 872552440
E-Mail: francesca.ferlaino@uibk.ac.at
Web: http://www.erbium.at

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.erbium.at - Dipolar Quantum Gas Group
http://iqoqi.at - Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
http://www.uibk.ac.at/exphys/ - Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Blasen im Pulsarwind schlagen Funken
22.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern
21.11.2017 | 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: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die gefrorenen Küsten der Arktis: Ein Lebensraum schmilzt davon

22.11.2017 | Geowissenschaften