Kalte Atome und Interaktionen
Ultrakalte Quantengase schweben bei Temperaturen nahe Null Grad Kelvin (-273 Grad Celsius), auch als absoluter Nullpunkt bekannt, weil man bis vor Kurzem dachte, dass es im Universum nicht kälter werden kann. Bei absolut Null hören alle Partikel auf, sich zu bewegen, und alle Unordnung verschwindet. Dieses System wurde zum fruchtbaren Boden für Untersuchungen von Quanten-Vielteilchensystemen, die quasi täglich neue Erkenntnisse zur Natur des Universums liefern. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 1DDIPOLARGAS ("Strongly correlated dipolar quantum gases with tuneable interactions in one-dimensional traps") studierten Wissenschaftler Partikel-Wechselwirkungen mithilfe von lasergekühlten, hochangeregten Atomen (Rydberg-Atome). Plasmen sind der im Universum am weitesten verbreiteten Zustand von Materie. Dabei handelt es sich um ionisierte Atome - meist Ionen und freie Elektronen. Obwohl sie in der Regel durch sehr hohe Temperaturen erzeugt werden, geht dies nun auch mittels Photoionisation von lasergekühlten Atomwolken. Dabei entstehen Plasmen, ähnlich wie denen in sehr dichten Objekten wie dem Kern des Jupiters. Mit ihrer Hilfe lässt sich das Universum vom Labor aus betrachten. Die Wissenschaftler des Projekts entdeckten einen neuen Weg zur Erzeugung von ultrakaltem Plasma, die Strombegrenzungen zu den niedrigsten erreichbaren Temperaturen überwindet. Dies könnte zu einem besseren Verständnis des Aufbaus von Gasriesen führen. Die Forscher untersuchten außerdem die Bildung von korrelierten Systemen von Rydberg-Aggregaten aus mehreren Rydberg-Atomen. Mithilfe von statistischen Methoden aus der Festkörperphysik öffneten sie ein neues Fenster mit Blick auf den Mechanismus, mit dem solche Systeme gebildet werden, und wiesen einen neuen Weg für deren Untersuchung. Weitere Arbeiten verwendeten elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT), einen Quanteninterferenzeffekt in geschlossenem Licht. Dabei entstanden neue Beschreibungen zur Interaktion von Atomen und Licht. Entwickelt wurde auch ein EIT-basiertes System für die direkte Beobachtung des für photosynthetische Systeme wichtigen Energietransports, dass unmittelbar zum Verständnis der Effizienz in der Photovoltaik betragen wird. Weitere bahnbrechende Ergebnisse öffnen die Tür für Studien zum Übergang von einem klassischen zu einem Quantenregime auf präzise gesteuerte Weise. Wegweisende Studien des Projekts 1DDIPOLARGAS zu ultrakalten Gasen haben den Nutzen solcher Systeme sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die angewandte Forschung erweitert. Die Implikationen werden in allen wissenschaftlichen Bereichen zu spüren sein: von der Erforschung der grundlegenden Natur des Universums bis hin zur angewandten Photovoltaik.
Schlüsselbegriffe
Gase, Quantum, ultrakalt, Rydberg, Plasmen, korreliert, elektromagnetisch induzierte Transparenz, EIT