Ein neuer Blick auf Quantengase
Die meiste Materie existiert in einem von drei Aggregatzuständen: fest, flüssig oder gasförmig. Ein vierter Aggregatzustand, Plasma, besteht an hochenergetischen Orten wie dem Inneren von Sternen. Noch ein fünfter Zustand, das Bose-Einstein-Kondensat (BEK), tritt mit dem tiefstmöglichen Energieniveau bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts ein. Obwohl nicht alle Atome bei Annäherung an die tiefstmögliche Temperatur des Universums ein BEK bilden, nehmen unterkühlte Atome einen Zustand der quantenmechanischen Entartung an. Alle Atome streben an, den gleichen (tiefsten) energetischen Zustand anzunehmen. Die Entartung wurde nur bei einigen Elementen demonstriert, darunter mehrere Alkalimetalle und Ytterbium. Die Erzeugung dieser Bedingungen öffnet ein Fenster zu grundlegenden Problemstellungen der Physik, Quantendatenverarbeitung und Quantenoptik. Im Projekt YTTERBIUMSPINLATTICE entwickelten EU-finanzierte Wissenschaftler wichtige Verfahren, um die Bandbreite möglichen Versuche mit unterkühlten Atomen zu erweitern, sodass die schwer zu untersuchenden Phänomene besser erforscht werden können. Ein experimenteller Aufbau zur Erzeugung optischer Potentiale, mit dem jedes stabile Ytterbiumisotop eingefangen und gekühlt werden kann, ebnet zahlreichen Versuchen den Weg, die mit Alkaliatomen nicht durchführbar sind. Der Aufbau ermöglicht das Anregen von Atomen auf bestimmte Kernspinzustände sowie die Steuerung und Messung dieser Zustände. Da viele grundlegende Eigenschaften von Ytterbium nicht umfassend charakterisiert sind, begannen die Wissenschaftler mit dem Untersuchen einiger dieser Eigenschaften. Diese Versuche mit einem Quantengas von Ytterbium führten zur ersten direkten Beobachtung einer der wichtigen Eigenschaften dieses Stoffs (der Energie der Spin-Austauschwechselwirkung). Der gemessene Wert lag deutlich höher als erwartet, sodass weitere Forschung erforderlich ist, um dessen Auswirkungen auf die experimentellen Strategien zu bestimmen. Der Austauschvorgang wurde direkt beobachtet, was den Weg zu einer experimentellen Quantensimulation der Modelle für kondensierte Materie auf Basis der Orbitalinteraktionen ebnet. Diese Experimente schließen auch die ursprünglich im Projektvorschlag angestrebten Versuche mit ein. Mit unterkühlten Atomen der Alkalielemente sind sie bisher noch nicht durchführbar. Somit haben die Mitglieder des Projekts YTTERBIUMSPINLATTICE Forscher, die sich mit ultrakalten Gasen befassen, mit einem leistungsstarken neuen Werkzeug ausgestattet. Dessen Anwendung verspricht, einige der grundlegenden offenen Fragen der Physik zu beantworten sowie neues Wissen zu erlagen, mit dem neuartige Quantengeräte entwickelt werden können.
Schlüsselbegriffe
Quantengase, ultrakalte Atome, Entartung, Ytterbium, optische Potentiale, Spin-Austauschwechselwirkung
