Oldenburger Physiker an grundlegender Arbeit über Bose-Einstein-Kondensat beteiligt

Die amerikanische physikalische Gesellschaft (APS) stufte eine gemeinsam von Prof. Dr. Martin Holthaus und Dr. Andre Eckart und ihren italienischen Kollegen publizierte Arbeit mit dem Titel „Exploring dynamic localization with a Bose-Einstein condensate“ (Phys. Rev. A 79, 013611, 2009) als „Highlight“ ein und berichtete darüber in ihrer Serie „Physics – spotlighting exceptional research“

Der Schwingkörper eines Pendels, der über den Aufhängungspunkt des Pendels gebracht und dann losgelassen wird, fällt sofort herunter – es sei denn, das Pendel wird einer zeitperiodischen Kraft ausgesetzt, die es in der invertierten Position stabilisieren kann.

Ein ähnlicher Effekt tritt in der Quantenmechanik auf: Das Wellenpaket eines Teilchens, das sich auf einem periodischen Gitter bewegt, breitet sich normalerweise über das ganze Gitter aus – es sei denn, es wirkt eine zeitperiodische Kraft, die das Teilchen permanent an einer Stelle festhalten kann.

Dieser Effekt, der seit 22 Jahren als „dynamische Lokalisierung“ theoretisch bekannt ist, konnte nun auf Anregung der Oldenburger Wissenschaftler von ihren experimentellen Partnern in Pisa mit Bose-Einstein-Kondensaten in geschüttelten optischen Gittern beobachtet werden.

Das Bose-Einstein-Kondensat, das von den kalten Atomen gebildet wird, ist eine „exotische“ Form der Materie. Sie verhält sich im Vergleich zu normaler Materie ähnlich wie das Licht eines Lasers im Vergleich zu einer normalen Glühbirne. Die Oldenburger Überlegungen und ihre Umsetzung in Pisa zeigen nun, dass man diese Materieform nicht nur herstellen, sondern auch ihre Eigenschaften gezielt beeinflussen kann.

In ihrer Publikation erläutert das Team, dass diese Beobachtung einen Meilenstein auf dem Weg zu einer neuen Form des „quantum engineering“ darstellt: Ein Elektron, das sich in dem periodischen Potenzial eines Kristallgitters bewegt, wird durch die berühmten Bloch-Wellen der Festkörperphysik beschrieben.

Ultrakalte Atome in geschüttelten optischen Gittern spüren dagegen die räumliche Periodizität des Gitters und die zeitliche Periodizität des Schüttelns, so dass neuartige Quantenzustände auftauchen, die von den Autoren als „raumzeitliche Bloch-Wellen“ bezeichnet werden. Weil sich eine Achse von deren Gitter nicht wie üblich im Raum, sondern in der Zeit erstreckt, können diese Zustände systematisch manipuliert und kontrolliert werden, indem man z.B. einfach die Amplitude oder Frequenz des Schüttelns verändert. Diese Tatsache erklärt nicht nur die dynamische Lokalisierung, sondern könnte auch zu weiteren neuartigen Anwendungen führen.

Kontakt: Prof. Dr. Martin Holthaus, Institut für Physik, Tel.: 0441/798-3960, E-Mail: holthaus@theorie.physik.uni-oldenburg.de