Manipulierte Atome in der Makroskopie
Da, wo sich überlagernde Laserstrahlen kreuzen, bildet sich ein optisches Gitter. Das daraus resultierende spezifische räumliche Muster kann neutrale Atome einfangen, die sich abkühlen und bündeln, ähnlich wie in einem Kristallgitter. Diese Atome können dann in Form von Quantentunneln in Bewegung gesetzt werden, wobei ein Teilchen sich durch ein Hindernis durchtunneln kann, dass es normalerweise nicht überwinden könnte. Ultrakalte Atome in optischen Gittern stellen ideale Prüfstände für Modelle kondensierter Materie dar. Ein Beispiel dafür sind Hochtemperatursupraleiter, die eine supraleitende Sprungtemperatur (Tc) von über -243,2 Grad Celsius haben. In jüngsten Jahren wurden in diesem Forschungsbereich ultrakalte Quantengase zu einem Werkzeug für Vielteilchen-Festkörper-Quantenphysik entwickelt. Mithilfe von Laserstrahlen können viele relevante Parameter (z.B. Gittertiefe und -abstand) gesteuert werden. Die Möglichkeit, einzelne Atome auf ihren Gitterplätzen aufspüren und manipulieren zu können, liefert das Potenzial für eine ganz neue Generation von Experimenten in den Bereichen Quanteninformationsverarbeitung und Simulation. Im Rahmen des Projekts Addressing ("Ultracold quantum gases in optical lattices with single site addressability") wurde vorgeschlagen, ein eigens konzipiertes Linsensystem zu verwenden, um Dichte, Spinstruktur und Zusammenhänge im Maßstab eines Gitterplatzes zu beobachten und zu manipulieren. Das EU-geförderte Projekt konzipierte und setzte einen neuartigen Versuchsaufbau um, mit dem sich einzelne Gitterplätze auflösen und Ansprechen lassen. Zunächst befassten sich die Forscher mit der Montage und der Prüfung des Vakuumaufbaus, mit der Herstellung ultrakalter atomarer Proben sowie der Entwicklung und Erprobung eines hochauflösenden, maßgeschneiderten Bildgebungssystems. Letzteres erleichterte das Erreichen eines wichtigen Meilensteins an der Schnittstelle zwischen kalten Atomen und kondensierter Materie, d.h. die Abbildung eines stark korrelierten Quanten-Vielteilchensystems mit Einzelatomauflösung. Dies wurde durch Abbildung eines sogenannten Mott-Isolator-Zustands in optischen Gittern erreicht, wo Atome dank der auf sie wirkenden quantenmechanischen Abstoßung in Zustände genau definierter Besetzungszahlen gezwungen werden. Die resultierenden Bilder zeigten deutlich jedes einzelne Atom, sodass es erstmals möglich ist, einzelne Deffekte, die von der Endtemperator der Probe herrühren, zu beobachten. Die Möglichkeit zur sicheren Bestimmung der Temperatur in optischen Gittern ist entscheidend für die Förderung anderer schwer fassbarer und wichtiger Quantenphasen. Diese Entwicklung ebnet den Weg zur Manipulation des Zustands einzelner Atome in einem optischen Gitter und könnte die Grundlage für eine Quantencomputer-Architektur mit bis zu Hunderten einzelner adressierbarer Qubits (Einheit in der Quanteninformationsverarbeitung) bieten. Die Egebnisse aus Addressing bieten viele Möglichkeiten für die Erforschung von Gleichgewichtsphänomenen, um zu beobachten, wie sich ein System entwickelt.
