Quantenphysikalische Experimente: Atome mit Wirbeln fangen

Neben den bewährten, auf Laserlicht basierenden Methoden will er mit Hilfe von Supraleitern und Magnetfeldern einen neuen Ansatz für quantenphysikalische Experimente etablieren.

Atome in optischen Gittern sind heute eine weitverbreitete Technik für quantenphysikalische Experimente. Dabei wird mit mehreren, überkreuzten Lasern ein System von stehenden Wellen erzeugt. In diesem – einem Eierkarton ähnelnden – Feld streben ultrakalte Atome zum jeweiligen Minimum und ordnen sich so symmetrisch an.

Die atomaren Gitter sind vergleichbar mit der Kristallstruktur von Festkörpern. So lassen sich unter kontrollierten Bedingungen Phänomene in Festkörpern im Labor untersuchen. Wegen der Komplexität kann deren Verhalten am Computer oft nicht befriedigend simuliert werden. In einem Quantensystem aus ultrakalten Atomen in optischen Gittern ist dies hingegen möglich.

Oriol Romero-Isart schlägt nun gemeinsam mit Kollegen in Innsbruck, sowie vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und der Autonomen Universität in Barcelona in der Fachzeitschrift Physical Review Letters einen neuen experimentellen Ansatz vor: Die Theoretiker wollen die Atome ausschließlich über Magnetfelder an ihrer Position festhalten. Dazu nutzen sie einen Supraleiter, den ein von außen angelegtes Magnetfeld nur in Form von Wirbeln durchdringen kann. Wird die Oberfläche des Supraleiters in regelmäßigen Abständen perforiert, erzeugt das Magnetfeld zahlreiche Wirbel, die gemeinsam ein eierkartonförmiges Feld erzeugen, ähnlich wie das optische Gitter.

Ultrakalte Atome mit magnetischem Moment streben an jene Stellen mit dem schwächsten Feld und ordnen sich so regelmäßig an. Um zu verhindern, dass die Atome nach oben davonfliegen, muss nach dem Vorschlag der Physiker ein weiteres Magnetfeld von außen angelegt werden, mit dem die Teilchen über der Oberfläche des Supraleiters festgehalten werden.

Damit realisieren die Physiker mit Hilfe von Magnetfeldern ein den optischen Gittern sehr ähnliches System, mit dem Vorteil, dass der Abstand zwischen den einzelnen Teilchen sehr viel kleiner sein kann. Auf dieser Basis realisierte Quantensimulatoren sollten deshalb gegenüber äußeren Störungen wesentlich stabiler und auch schneller sein. Darüber hinaus kann durch die gezielte Auswahl der Perforationen im Supraleiter die geometrische Form der Atomfalle frei gestaltet werden.

„So können in Zukunft möglicherweise Eigenschaften von ultrakalten Atomen in Gitterstrukturen entdeckt werden, die in optischen Gittern noch nicht zu sehen waren“, freut sich Oriol Romero-Isart, der seit Oktober Professor an der Universität Innsbruck und Junior Research Director am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist.

Publikation: Superconducting Vortex Lattices for Ultracold Atoms. O. Romero-Isart, C. Navau, A. Sanchez, P. Zoller, and J. I. Cirac. Phys. Rev. Lett. 111, 145304 (2013)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.145304

Rückfragehinweis:

Oriol Romero-Isart
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Österreichische Akademie der Wissenschaften
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– Superconducting Vortex Lattices for Ultracold Atoms. O. Romero-Isart, C. Navau, A. Sanchez, P. Zoller, and J. I. Cirac. Phys. Rev. Lett. 111, 145304 (2013)