Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakalte Atome jonglieren ihre Spins mit außergewöhnlicher Symmetrie

03.09.2014

LMU/MPQ-Wissenschaftler weisen einen hochsymmetrischen Spin-Austausch zwischen Atomen in unterschiedlichen Orbitalen nach

Das physikalische Verhalten von Stoffen ist zum größten Teil bestimmt durch die Wechsel-wirkungen und die Bewegungen der Elektronen innerhalb des Materials. Während es sich bei einem einzelnen Elektron um ein relativ einfaches Objekt handelt, das lediglich durch seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, charakterisiert ist, kann das kollektive Verhalten eines Systems aus vielen interagierenden Elektronen außerordentlich komplex sein.


Abb. 1 Schematische Darstellung einer Spin-Austausch-Kollision. Zwei Atome in verschiedenen Orbitalen (grün und blau) und mit verschiedenen Spin-Orientierungen (schwarze Pfeile) stoßen zusammen. Entscheidend ist, dass nach dem Zusammenstoß beide Spinvektoren unverändert sind, aber zwischen den Atomen ohne Änderung der Orientierungen ausgetauscht werden. (Grafik: LMU-München / MPQ, Abt. Quanten-Vielteilchensysteme).


Abb. 2: Die sechs verschiedenen Spin-Zustände der SU(N=6) Symmetriegruppe können voneinander getrennt und dann abgebildet werden. Die Analyse der Daten verschiedener Populationen zeigt, dass die Dynamik des Prozesses unabhängig von der Wahl der anfänglichen Spin-Kombination ist. (Grafik: LMU-München / MPQ, Abt. Quanten-Vielteilchensysteme).

Dies korrekt zu beschreiben ist meist der Schlüssel zum Verständnis der Materialeigenschaften. Materie mit komplexem kollektivem Verhalten, insbesondere solche, bei denen die Wechselwirkung der Elektronen auch deren Spins involviert, stellen dabei eine besondere theoretische und experimentelle Herausforderung dar. Seit einigen Jahren versucht man daher, das Verhalten von Ensembles von Elektronen in besonders gut kontrollierten Bedingungen nachzubilden, indem man ultrakalte Gase in künstlichen Gittern aus Licht als Modelle für kristalline Festkörper präpariert.

Ein Team von Simon Fölling und Immanuel Bloch (Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik) hat nun gezeigt, dass bestimmte Atome auch durch Austausch ihrer Spins wechselwirken können, auch wenn sie sich in verschiedenen „elektronischen Orbitalen“ befinden. Dieser Prozess war bisher nur bei Elektronen bekannt (Nature Physics, Advance Online Publication, 31. August 2014).

Dazu präparierten die Wissenschaftler die Atome zunächst in verschiedenen Spin-Zuständen, um sie danach paarweise in Wechselwirkung zu bringen. Das Ergebnis wurde analysiert, und die damit verbundene Energiemenge bestimmt. Dabei konnten die Forscher nachweisen, dass der Spin-Austausch-Prozess bei Ytterbium-Atomen in einer besonders symmetrischen Weise stattfinden kann, welche bislang nur theoretisch vorher gesagt worden war und in der Natur nicht beobachtet werden konnte. Der experimentelle Nachweis ebnet den Weg, bislang unzugängliche Quantenphänomene experimentell zu untersuchen.

Elektronen in Festkörpern können generell in zwei Gruppen eingeteilt werden: in bewegliche und unbewegliche. Elektrische Leiter verfügen naturgemäß über viele bewegliche Elektronen, während einfache Isolatoren normalerweise nur unbewegliche besitzen. Doch die Angelegenheit wird weit interessanter, wenn die Elektronen zwischen beiden Klassen wechseln können, wie dies zum Beispiel bei Halbleitern der Fall ist, oder wenn unbewegliche mit beweglichen Elektronen in Wechselwirkung treten können, was in vielen magnetischen Stoffen vorkommt. Ob sich ein Elektron bewegen kann oder nicht, ist durch seine sogenannte Wellenfunktion vorgegeben, die man auch als Orbital bezeichnet. Ein Elektron kann normalerweise durch Angabe von Spin, Orbital und Position vollständig beschrieben werden. Der Spin, welcher nur in der quantenmechanischen Beschreibung existiert, entspricht dabei grob einer dem Teilchen eigenen Rotation um die eigene Achse.

In einfachen Materialien wie den meisten Isolatoren und metallischen Leitern hat der Spin nur einen geringen Einfluss auf deren Werkstoffeigenschaften. Bei anderen Stoffen wie Magneten und Supraleitern, spielt er dagegen eine entscheidende Rolle. Während man einige Effekte sehr gut versteht, sind doch viele Phänomene bislang nicht vollständig geklärt. Speziell für solche Fälle, in denen bewegliche und unbewegliche Elektronen gleichzeitig vorhanden sind und interagieren, gab es zwar in den frühen 60er Jahren große Erfolge durch die Theorien von Philip Anderson und Jun Kondo, doch viele Systeme sind noch immer nicht wirklich verstanden.

Ein relativ junger Ansatz, komplexe Materialien zu verstehen, ist die sogenannte Quantensimulation des Vielteilchensystems welches von den Elektronen gebildet wird. Dazu können die Kristallstrukturen von Materie mit Laserstrahlen nachgebaut werden, und ultrakalte Atome übernehmen die Rolle der Elektronen darin. Die muss so geschehen, dass die Wechselwirkung zwischen den Atomen diejenige zwischen den Elektronen in allen wichtigen Eigenschaften korrekt nachbildet.

Um dies zu erreichen und nachzuweisen, präparierten Francesco Scazza und Kollegen ein extrem kaltes Ensemble aus fermionischen Ytterbium-Atomen so, dass sie sich als voneinander isolierte Paare aus jeweils zwei Atomen in dem Lichtgitter anordneten. Für Ytterbium-Atome, die zu den Seltenen Erden zählen, sagte die Theorie vorher, dass aufgrund ihrer spezifischen internen Struktur die Wechselwirkung zwischen beweglichen und unbeweglichen Teilchen analog zu jener zwischen Elektronen unterschiedlicher Orbitale stattfindet. Dabei handelt es sich um einen Vorgang, bei dem zwei Atome bei Kontakt ihre Spin-Eigenschaften austauschen (wobei sie ihre ursprünglichen Orbitale beibehalten) und zusätzlich aneinander abgelenkt werden (siehe Abb. 1).

Dieses Verhalten wurde von dem japanischen Physiker Jun Kondo als Erklärung für die extrem starken Unterschiede in der Leitfähigkeit von Metallen vorgeschlagen. Derselbe Vorgang wird auch mit Phänomenen wie dem Auftreten „Schwerer“ Elektronen oder dem Herausbilden bestimmter Formen von Supraleitung und magnetischer Ordnung in Materialien in Verbindung gebracht. Das Modell ist auch wichtig für den noch immer rätselhaften Effekt des „kolossalen magnetischen Widerstands“, welcher trotz seines nicht völlig verstandenen Mechanismus in Hinblick auf seine mögliche Nutzung für neuartige elektronische und „spintronische“ Geräte große Aufmerksamkeit erfährt.

Wenn Ytterbium-Atome in die Rolle der Elektronen schlüpfen, ist es der Spin ihres Kerns, der dem Spin des Elektrons entspricht. Da Atome und ihre Kerne weit komplexer aufgebaut sind als ein einzelnes Elektron, hat der Ytterbium-Spin mehr Orientierungsmöglichkeiten. So kann der Spin eines Elektrons nur in zwei Richtungen weisen, das Ytterbium-Atom kann sich dagegen eine von bis zu sechs möglichen Spin-Einstellungen aussuchen. Bei den meisten anderen Elementen sind diese Spin-Zustände nicht gleichwertig, und daher könnten nur zwei der Zustände gleichzeitig auftreten ohne dass die fundamentale „Spin-Symmetrie“ gebrochen wird, die diesem Fall eine sogenannte SU(2)-Symmetrie ist.

Ytterbium aber gehört zu einer kleinen Gruppe von Elementen, bei denen diese Symmetrie auch für mehr als zwei Komponenten vorhergesagt wurde. Mit Ytterbium-Atomen lassen sich daher Vielteilchensysteme einer erweiterten SU(N)-Symmetrie verwirklichen. „Diese Aussicht ist besonders interessant, denn wir erwarten für solche Systeme, die es in der Natur nicht gibt, sehr ungewöhnliche und schwer vorhersagbare Eigenschaften, wie etwa exotisches Ordnungsverhalten“, erklärt Francesco Scazza, Doktorand am Experiment. „Vor unseren Messungen war nicht klar, ob eine solche Symmetrie nicht durch zusätzliche Orbitale oder den Spin-Austausch zwischen Atomen gebrochen werden kann.“

Die isolierten Atom-Paare wurden im Experiment mit Laserlicht bestrahlt, dessen Frequenz auf 12 Dezimalstellen genau kontrolliert werden musste. Aufgrund dieser extrem hohen Stabilität der Laser und der Verwendung spezieller, auf den Spin empfindlichen Präparations- und Nachweismethoden waren die Münchner Physiker in der Lage, die Spin-Austausch-Wechselwirkung quantitativ zu bestimmen, verschiedene Spin-Kombinationen unabhängig voneinander zu analysieren und die spezifische sechsfache Spin-Symmetrie nachzuweisen (siehe Abb. 2). Darüber hinaus gelang es Scazza und seinen Kollegen, die Spin-Austausch-Prozesse in Echtzeit zu beobachten, indem sie die zeitliche Entwicklung der Populationen der verschiedenen Spin-Zustände bestimmten.

Die isolierten Atom-Paare wurden im Experiment mit Laserlicht bestrahlt, dessen Frequenz auf 12 Dezimalstellen genau kontrolliert werden musste. Aufgrund dieser extrem hohen Stabilität der Laser und der Verwendung spezieller, auf den Spin empfindlichen Präparations- und Nachweismethoden waren die Münchner Physiker in der Lage, die Spin-Austausch-Wechselwirkung quantitativ zu bestimmen, verschiedene Spin-Kombinationen unabhängig voneinander zu analysieren und die spezifische sechsfache Spin-Symmetrie nachzuweisen (Abbildung 2). Darüber hinaus gelang es Scazza und seinen Kollegen, die Spin-Austausch-Prozesse in Echtzeit zu beobachten, indem sie die zeitliche Entwicklung der Populationen der verschiedenen Spin-Zustände bestimmten.

Die Experimente sind ein großer Fortschritt für die Simulation von Materialien aus stark korrelierten Elektronen mit Hilfe ultrakalter Atome. Sie bieten verschiedene Wege für die Beobachtung von komplexen und sogar vollständig neuartigen Materiephasen an, von magnetischen bis zu „Schwere Fermionen“-Materialien, und von Spin-Flüssigkeiten bis zu exotischen Magneten mit Ordnungen höherer Symmetrie.

Original Veröffentlichung
Marcos Atala, Monika Aidelsburger, Michael Lohse, Julio T. Barreiro, Belén Paredes and Immanuel Bloch
Observation of chiral currents with ultracold atoms in bosonic ladders
Nature Physics, 2998 (2014), Advance Online Publication

Kontakt:

Dr. Simon Fölling
LMU München, Fakultät für Physik
Schellingstr. 4, 80799 München
Telefon: +49 (0)89 2180 -6133
E-Mail: simon.foelling@lmu.de

Francesco Scazza, M. Sc.
LMU München, Fakultät für Physik
Schellingstr. 4, 80799 München
Telefon: +49 (0)89 2180 -6119
E-Mail: francesco.scazza@physik.uni-muenchen.de

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

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

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie