Suprafluidität bei ultrakalten Gasgemischen
Bei ansteigender Temperatur bewegen sich Atome und Moleküle immer schneller. Umgekehrt bewegen sie sich im ultrakalten Zustand beinahe überhaupt nicht mehr – in diesem Fall laufen Ereignisse hoch korreliert ab. Die Atome scheinen zu verschmelzen und verhalten sich weniger wie einzelne Partikel sondern eher wie Materiewellen. Sie können exotische neue Zustände annehmen und als Quantenmaterie zu Suprafluiden oder Supraleitern werden. Die Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts ATOMIC MIXTURES gingen den grundlegenden Fragen zu Gemischen aus Atomgasen auf den Grund. Diese Fragen können am besten beantwortet werden, indem diese Gemische auf ultratiefe Temperaturen gebracht werden, bei denen quantenmechanische Effekte zum Tragen kommen. Mit einem Schwerpunkt auf Suprafluiden und suprasolid-artigen Phasen untersuchten die Wissenschaftler die Wechselwirkungen in diesen stark korrelierten Vielteilchen-Quantensystemen. Die Wissenschaftler erforschten Fermi-Fermi-Gemische und Bose-Bose-Gemische. Sie befassten sich auch mit Gemischen aus leichten und schweren Atomen sowie mit Gasen aus heteronuklearen Molekülen (die aus mehr als einer Art von Atom bestehen, anders als z. B. molekularer Wasserstoff, H2). Eine der Eigenschaften, durch die sich die Gase unterscheiden, ist ihr Grundzustand, d. h. ihr geringstmögliches Energieniveau, und das Grundzustands-Phasendiagramm lieferte wichtige Erkenntnisse. Das Grundzustands-Phasendiagramm der Spin-Bahn-gekoppelten einheitlichen Fermigase zeigte, dass die Spin-Bahn-Kopplung exotische suprafluide Phasen hervorrufen kann, was möglicherweise für fehlertolerante Quantencomputer relevant sein könnte. Eines des bedeutendsten Ergebnisse belegte, dass die suprasolide Phase viel größer als gewöhnlich wird, wenn die Wechselwirkungen zwischen direkten Nachbarn stark genug werden. Die Vorhersagen wurden vor Kurzem mit numerisch exakten Monte-Carlo-Quantensimulationen bestätigt, was den Weg zu einer vielversprechenden Möglichkeit weist, erstmals eine suprasolide Phase zu erhalten. Bei Untersuchungen des Grundzustands-Phasendiagramms von Gasen aus zwei Atomarten mit verschränkten Teilchen wurde eine neue exotische suprafluide Phase entdeckt. Letztendlich wurden durch die Arbeit mit ultrakalten Fermionen-Suprafluiden unter magnetischen Feldern neue Erkenntnisse zu suprafluiden Phasenübergangen gesammelt. Die Fortschritte sind beeindruckend, und sie führten zu 18 Veröffentlichungen in einflussreichen, von Experten geprüften Fachzeitschriften sowie zu zwei Publikationen im Magazin der koordinierenden Hochschule. Da ultrakalte Gase eine ideale Prüfumgebung für quantenmechanische Phänomene darstellen, haben sie von Forschern in letzter Zeit enorm viel Aufmerksamkeit erfahren. ATOMIC MIXTURES leistete einen bedeutenden Beitrag auf einem Gebiet, das einen vollkommen neuen Blick auf die Welt liefert.
Schlüsselbegriffe
Suprafluidität, ultrakalt, Quantenmaterie, Atomgase, Fermi, Bose
