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Halbleiterbauelemente in Quantenexperimenten simulieren

Wissenschaftler haben ein experimentelles System entwickelt, um den Transport in atomaren Gasen gemäß Analogien zur Festkörperphysik zu steuern. Die entsprechenden Quantensimulationen bringen Licht in Fragen zu Themen wie etwa Quantencomputern wie auch der Struktur des Universums.
Halbleiterbauelemente in Quantenexperimenten  simulieren
Fermionen sind Quantenteilchen wie Nukleonen oder Elektronen, welche die Bausteine der Materie darstellen. Die Verhaltensweisen von Werkstoffen hängen vom Zusammenspiel zwischen fermionischer Beschaffenheit, innerer Kristallstruktur und Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen ab. Über diese komplexe innere Struktur ist noch wenig bekannt. Sie ist jedoch direkt für die Supraleitung, für das Rechnen mit Quanten und sogar für die Organisation des Universums von Bedeutung.

Künstlich erzeugte ultrakalte atomare Gase haben die Tür zu neuartigen Experimenten aufgestoßen, in denen Quanteninteraktionen und die Vielteilchen-Quantenphysik erkundet werden. In den letzten Jahren konnten Wissenschaftler Gase dieser Art erzeugen, welche die Untersuchung von deren fermionischer Beschaffenheit (ultrakalten atomare Fermi-Gase) erleichtern und es ermöglichen, komplexe Quantenstrukturen, Zustandsübergänge und Elektronenspin-Wechselwirkungen zu erforschen.

Die Forscher nutzten innerhalb des EU-finanzierten Projekts "Microscopy of interacting Fermi-gases: High-resolution imaging and statistical properties" (MIGROS) zu diesem Zweck Quantensimulationen unter Einsatz stark wechselwirkender Fermi-Gase. Die Wissenschaftler betrachteten zuerst mittels hochauflösender Mikroskope das Verhalten kleiner Ensembles ultrakalter fermionischer Atome in einer großen Wolke, wobei sich herausstellte, dass zwei Dinge (Gesamtspinfluktuationen und Spinsuszeptibilität) nicht durch klassische Beschreibungen erklärbar sind.

Mit Hilfe eines Versuchsaufbaus aus zwei durch einen Kanal verbundenen Behältern untersuchten die Wissenschaftler die Leitung eines Fermionen nachahmenden Elektronentransports in einer Nanostruktur und vereinfachende Analogien zur Festkörperphysik. Sie konnten Übergänge zur Suprafluidität und den damit verbundenen sehr geringen Widerstand zu deren Beginn sowie auch das Verhalten von Supraflüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen beobachten. Die Suprafluidität steht auf komplizierte Weise mit der Supraleitung und sogar dem Verständnis von Neutronensternen und Quark-Gluon-Plasmen im Zusammenhang.

Die Manipulation und Visualisierung der Verhaltensweisen ultrakalter Fermi-Gase in einer Modellsimulation hat den Weg zur Erforschung des Spintransports in kalten Atomsystemen geebnet. Die dabei beobachteten Phasenübergänge weisen universelle Transporteigenschaften auf, die im Zusammenhang zu den grundlegendsten Konzepten der theoretischen Physik stehen. Mit diesem spannenden neuen experimentellen Modellsystem wird man nun möglicherweise die Theorien über die Struktur unseres Universums sowie auch die Beschaffenheit der Raumzeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs nachprüfen können.

Auf alle Fälle ermöglicht der Aufbau nicht nur die Quantensimulation von Materialien, sondern auch von Bauelementen, die aus mehr als einer Komponente bestehen. Mit dieser Entwicklung wird man neue Erkenntnisse in Bezug auf Konzepte für Quantencomputer und Quantenmaschinen gewinnen können.

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