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Ultracold Bose-Fermi Mixtures of Metastable Helium

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Ein besseres Verständnis der Eigenschaften von ultrakalten Gasen

EU-finanzierte Forscher konnten durch innovative Technologien und Experimente bahnbrechende Fortschritte im Hinblick auf das Verständnis der Eigenschaften ultrakalter Gase erzielen.

Energie

Die einzelnen Elektronen von Atomen verfügen typischerweise nur über eine bestimmte Energie, was als quantenmechanisches Energieniveau bezeichnet wird. Bei sehr geringen Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt, bei dem die Molekularbewegung im Stillstand ist), weisen die Atome einiger Elemente (Bosonengase) jedoch nur den geringsten Quantenenergiezustand auf, dies wird als Bose-Einstein-Kondensation bezeichnet. Diese ultrakalten bosonischen Atome (heute Bose-Einstein-Kondensat oder BEC) sind ununterscheidbar und bilden eine einzige quantenmechanische Einheit. So genannte fermionische Atome können im gleichen Quantenenergiezustand nicht koexistieren (es herrscht das Pauli'sche Ausschlussprinzip). Dabei werden die zwei Hauptgruppen von allen Teilchen im gesamten Universum, Bosonen und Fermionen, durch den relativen Spinzustand oder Drehimpuls unterschieden. Helium weist sowohl stabile bosonische als auch stabile fermionische Isotope auf, die zur so genannten Entartung in einen metastabilen Anregungszustand gekühlt werden können. Zusätzlich illustrierten Experimente die Gemeinsamkeiten zwischen ultrakalten Bosonenatomen und Lichtphotonen. Wenn ein gekühltes Gas, ob bosonisch oder fermionisch, entartet ist verhalten sich die einzelnen Atome nicht mehr wie Punktteilchen, sondern wie Wellen. Ultrakaltes metastabiles Helium ist daher ein exzellentes System zur Untersuchung der Überschneidung bei ultrakalten atomaren Gasen, bei der Quantenoptik und bei kondensierter Materie. Europäische Forscher, die mit den Mitteln des Projekts "Ultracold Bose-Fermi mixtures of metastable helium" (Bosefermihe) gefördert wurden, planten die Entdeckung und Untersuchung von einzelnen ultrakalten metastabilen Heliumatomen, um die Entartung weiter zu bewerten. Forscher modifizierten die vorherigen Konfigurationen und führten Experimente durch, bei denen sich ein überraschender Verlauf des relativen Drehimpulses bei atomaren Paaren zeigte. Das Team des Projekts Bosefermihe entwickelte außerdem die weltweit erste Laserkühlung für metastabiles Helium, welche bei der Kühlung von Atomen für die Entartung, unabhängig vom Spinzustand, zum Einsatz kommt. Mit der Technologie konnten die Forscher die ersten Messungen spin-bedingter Verluste bei metastabilem Helium durchführen. Innovative technologische Entwicklungen und zahlreiche Experimente an ultrakalten metastabilen Heliumatomen ermöglichten wichtige Beobachtungen sowie die Veröffentlichung von Ergebnissen aus dem Bereich der entarteten Quantengase. Dadurch festigt die EU ihre führende Position in einem wettbewerbsintensiven Bereich, der großes Potential für zukünftige Anwendungen in Atomuhren und in der Supraleitfähigkeit hat.

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