Ein Quantengasmikroskop für Fermionen
Elektronen, Protonen, Neutronen und sogar Quarks sind Fermionen – Teilchen mit halbzahligem Spin. Im Gegensatz zu Bosonen mit ganzzahligem Spin können zwei Fermionen nicht gleichzeitig denselben Quantenzustand annehmen. Diese einfache Tatsache führt dazu, dass Elektronen verschiedene Orbitale um einen Atomkern einnehmen müssen. Wenn Fermionen miteinander wechselwirken, bilden sie Atomkerne und Festkörpermaterialien. Ihr kollektives Verhalten verursacht auch exotische Phänomene wie Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit und den kolossalen magnetoresistiven Effekt. Unser Wissen über stark interagierende Systeme aus Fermionen ist noch immer begrenzt. Die Forscher des EU-finanzierten Projekts FERMISITE (Strongly correlated fermions in optical lattices with single-site resolution) konnten die Vielteilchen-Festkörperphysik anhand ultrakalter atomarer Fermionengase intensiv erforschen. Die Physik von Elektronen in einem kristallinen Festkörper konnte insbesondere mit fermionischen Atomen, die in einem optischen Gitter eingefangen sind, simuliert werden. Bei ihrem Versuch nutzten die Forscher ein solches optisches Gitter, das mit retroreflektierten Laserstrahlen erzeugt wurde. Um Atome mit einer Auflösung von einzelnen Gitterpositionen beobachten zu können, entwickelten sie ein neues System, bei dem ein vertikaler Strahl auf ein ummanteltes Vakuumfenster retroreflektiert wird. Kalium-40-Atome wurden durch Laserkühlung und erzwungene Verdampfung auf Brennebene dieser magneto-optischen Falle vorbereitet. Anschließend wurden die Atome, während sie gekühlt wurden, mittels Fluoreszenzbildgebung festgestellt. Die Kaliumatome wurden durch Bestrahlung mit nicht-resonantem Licht zum Fluoreszieren gebracht. Ähnliche Experimente wurden etwa zur gleichen Zeit von Forschern der Harvard University und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA sowie des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching durchgeführt. Die Quantengasmikroskopie wird in Zukunft die Erforschung von Systemen aus mehreren, in optischen Gittern eingefangenen Fermionen ermöglichen. Mit der Untersuchung solcher Quantensysteme in gut kontrollierten technischen Umgebungen kann das Verhalten anderer Fermionen beleuchtet werden. Insbesondere mithilfe einer teilchengenauen Quantensimulation für Fermionen werden die Eigenschaften stark korrelierter Quantensysteme erforscht werden, die mit numerischen Simulationsverfahren nur schwer aufgelöst werden können.
Schlüsselbegriffe
Quantengasmikroskop, Fermionen, Kaliumatome, Atomkerne, FERMISITE, optisches Gitter
