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Wissenschaftler erzeugen neuen Zustand in der Quantenmechanik

In Österreich ist es EU-finanzierten Forschern, die das Verhalten ultrakalter Quantengase untersuchen, gelungen, einen exotischen Zustand zu erzeugen, bei dem die Gesetze der Quantenmechanik dafür sorgen, dass sich Atome entlang der eindimensionalen Struktur aufreihen. Ihre in...

In Österreich ist es EU-finanzierten Forschern, die das Verhalten ultrakalter Quantengase untersuchen, gelungen, einen exotischen Zustand zu erzeugen, bei dem die Gesetze der Quantenmechanik dafür sorgen, dass sich Atome entlang der eindimensionalen Struktur aufreihen. Ihre in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Erkenntnisse ebnen den Weg für einen neuen Forschungsbereich der Quantenmechanik. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Projekts NAME-QUAM ("Nanodesigning of atomic and molecular quantum matter") erzielt, das mit 2 Mio. EUR im Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) gefördert wird. Die Partner von NAME-QUAM befassen sich in ihren Forschungen mit ultrakalten Atomen und molekularen Quantentechnologien, um neue Richtungen und alternative Ansätze für skalierbare und miniaturisierbare Quantenrechner zu ermitteln. Im Rahmen des spezialisierten Forschungsbereichs der "Vielteilchen-Quantenmechanik" beobachteten die Wissenschaftler eine drastische Verstärkung der Effekte der Quantenbewegungen bei niedrigdimensionalen Systemen und starken Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Bekannte Beispiele dafür sind unter anderem nulldimensionale Quantenpunkte und eindimensionale Quantendrähte. Doch die experimentelle Erzeugung eines angeregten, langlebigen Zustands ist sehr schwierig, weil die Systeme sehr instabil sind. Teilweise ist dies darauf zurückzuführen, dass sie mit ihrer Umgebung "Verbindungen" eingehen. In ihrer jüngsten Forschung nutzte das Forscherteam um Hanns-Christoph Nägerl von der Universität Innsbruck in Österreich das Potenzial ultrakalter Atome, um einen stabilen, angeregten Vielteilchenzustand durch repulsive Wechselwirkung zu erzeugen. Kalte Atome lassen sich leicht gegenüber der Umwelt isolieren und ihre Wechselwirkungen lassen sich justieren, so die Forscher. "Ultrakalte Quantengase haben den großen Vorteil, dass sie sehr gut gegenüber der Umwelt isoliert werden können", erklärt Nägerl. Bosonen sind Teilchen, die sich im selben Quantenzustand befinden können; mit anderen Worten: Bosonen mit derselben Energie können im Raum denselben Platz besetzen. Im Experiment beobachtete Bosonen enthalten Photonen, die Trägerteilchen des elektromagnetischen Feldes sind, und Gluonen, die als Trägerteilchen für die starken Anziehungskräfte zwischen den Atomen zuständig sind. In einer Vakuumkammer bildeten die Forscher ein Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen. Mithilfe von zwei Laserstrahlen erzeugten sie dann ein optisches Gitter, in dem sich die Atome in vertikalen eindimensionalen Strukturen anordnen. Dabei stapeln sich 15 Atome übereinander auf. Durch das Laserlicht wurden sie daran gehindert, aus der Reihe zu tanzen. Anschließend justierten die Forscher die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Atomen mithilfe eines Magnetfelds. "Vergrößern wir die Anziehungskraft zwischen den Atomen (attraktive Wechselwirkung), bewegen sich diese aufeinander zu und der Stapel von Atomen fällt in sich zusammen", erklärt Nägerl den in der Fachwelt als "Bose Nova" bezeichneten Effekt. Wird die Wechselwirkungsenergie gesenkt, stoßen sich die Atome gegenseitig ab und reihen sich in regelmäßigem Abstand entlang der eindimensionalen Struktur auf. Dadurch entsteht ein sehr stabiles System. Die Forscher beobachteten einen überraschenden Effekt, sobald sich die Wechselwirkung zwischen den Atomen schnell von stark abstoßend nach stark anziehend änderte. "Dann erreichen wir einen exotischen, gasähnlichen Zustand, in dem die Atome angeregt sind, sich anziehen, aber nicht aufeinander zu bewegen können und die 'Bose Nova' ausbleibt", sagt Nägerl. Dem Erstautor der veröffentlichten Forschungsarbeit Elmar Haller zufolge wurde dieser Zustand bereits vor vier Jahre vorhergesagt. "Dieser vor vier Jahren vorhergesagte Zustand konnte jetzt erstmals experimentell erzeugt werden", erklärte er. Die Versuchsanordnung werde in künftigen Forschungsarbeiten zur Untersuchung der Eigenschaften von Quantendrähten eingesetzt, deren Beobachtung bisher sehr schwierig war. Die Erforschung niedrigdimensionaler Strukturen könnte dabei helfen, die Funktionsweise von Hochtemperatursupraleitern in Zukunft besser zu verstehen. Die Forschungsarbeit wurde durch das Programm EuroQUASAR ("Funding initiative for multidisciplinary research in the field of quantum standards and metrology") der Europäischen Wissenschaftsstiftung im Rahmen des Verbundforschungsprojekts "Quantum-degenerate gases for precision measurements" finanziell unterstützt. Einer der Forscher wurde außerdem durch ein Marie-Curie-Stipendium für Forscher aus Drittländern unterstützt.

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