Angeregte Nachbarschaft

In der mikroskopischen Quantenwelt sind Vielteilcheneffekte auf Distanz von besonderem Interesse, da sie grundlegende, bereits bekannte Phänomene wie die Bildung von geordneten Kristallen bewirken, aber auch neuartige, bisher nicht erforschte Zustände von Materie versprechen. Darüber hinaus lassen sich lang­reichweitig wechsel­wirkende Systeme auf fundamentaler Ebene theoretisch nur sehr schwer beschreiben, weshalb experimentellen Untersuchungen eine umso größere Bedeutung zukommt.

Nun hat ein Forscherteam um Christian Groß und Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quanten­optik Garching (MPQ) in Zusammen­arbeit mit Thomas Pohl vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme Dresden (MPIPKS) eine neue Methode entwickelt, Atome über große Distanzen miteinander wechselwirken zu lassen. Kernelement ihrer Methode ist das „Rydberg-dressing“, bei dem die fundamentale Eigenschaft der Quanten­mechanik ausgenutzt wird, dass sich ein Quanten­objekt in zwei verschiedenen Zuständen gleichzeitig befinden kann.

Im vorliegenden Experiment brachten die Forscher Atome in eine Überlagerung aus zwei Zuständen. „Der Trick bestand darin, neben dem energetisch niedrigsten Zustand einen hoch­angeregten Rydberg-Zustand zu wählen“, erklärt Johannes Zeiher, Doktorand am Experiment. „Diese exotischen Zustände zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass der Durchmesser der Atome auf das zirka 1000-fache anwächst. Deshalb können sich Rydberg-Atome über große Distanzen beeinflussen.“ Der Haken dabei ist jedoch, dass Rydberg-Atome instabil sind und in sehr kurzer Zeit zerfallen. Doch auch diese Hürde umgehen die Wissenschaftler, indem sie die Überlagerung so einstellen, dass sich ein Atom nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlich­keit im Rydberg-Zustand befindet. „Gewissermaßen erhält jedes Atom nur ein sehr dünnes ‚Rydberg-Kleid‘, das von anderen, weit entfernten Atomen aber trotzdem wahr­genommen wird und diese auf Distanz beeinflussen kann“, erklärt Christian Groß, Leiter des Experiments.

In ihrem Experiment erzeugten die Physiker zunächst mittels Laserkühlung ein ultra­kaltes Gas aus Atomen des Alkali-Metalls Rubidium-87. Aus diesem Gas wurden rund 200 Atome in ein optisches Gitter überführt, eine periodische Anordnung kleiner Lichtfallen, die aus der Überlagerung mehrerer Licht­strahlen entsteht. Innerhalb einer Ebene ist jede dieser mikro­skopisch kleinen Lichtfallen so dimensioniert, dass sie genau ein Atom aufnehmen kann. Die resultierende Ordnung der Atome lieferte einen gut kontrollierten Startzustand für den nächsten, entscheidenden Schritt: der Erzeugung des Rydberg-dressing durch Bestrahlung der Atome mit hoch­intensivem ultra­violettem Laserlicht. In diesem aus Licht gewobenen „Rydberg-Kleid“ begannen die Atome, sich auf die Distanz zu spüren und sich gegenseitig zu beeinflussen, ähnlich wie sich die Pole von zwei Magneten in der Alltagswelt abstoßen oder anziehen können. Ein entscheidender Unterschied im mikro­skopischen System ist allerdings die Möglichkeit, diese Wechselwirkung durch das An- und Ausschalten des ultravioletten Lasers zu kontrollieren.

Für den Nachweis der so erzeugten langreichweitigen Wechselwirkungen wählten die Experimentatoren eine interfero­metrische Technik, die eine besonders empfindliche Vermessung des Systems zulässt. Dabei vergleichen sie die „bekleideten Atome“, bei denen dem Grund­zustand der Rydberg-Zustand überlagert ist, mit gewöhnlichen Atomen. Die gegenseitige Anziehung oder Abstoßung der Rydberg-Atome hinterlässt charakteristische Spuren im Interferenzmuster. Diese können die Physiker nachweisen, indem sie die Atome mittels eines sehr guten Fluoreszenz-Mikroskops einzeln in den Lichtfallen abbilden.

In einem ersten Experiment gelang der direkte Nachweis, dass sich die Atome über große Distanzen wahrnehmen. Infolgedessen wird das Verhalten jedes Atoms von allen seinen Nachbarn mitbestimmt. Die Abbildung zeigt sowohl die Anfangs­verteilung der rund 200 Atome, die eine Scheibe gleichmäßig ausfüllen, als auch das sich ergebende Interferenz­muster für die Atome in Überlagerung mit dem Rydberg-Zustand. Der Rand des Systems tritt als Ring­struktur besonders hervor, weil den Atomen dort nach außen jeweils die Nachbarn fehlen.

Durch eine tiefere Analyse der Strukturen in den Interferenzmustern wurde die Wechsel­wirkung genauer vermessen und charakterisiert. Die Experimente bestätigten dabei mit großer Genauigkeit die theoretischen Vorhersagen. Ein besonders interessanter Effekt ist, dass mithilfe des Lichtes auch eine winkel­abhängige Wechselwirkung erzeugt werden kann. Das bedeutet, dass sich zwei nebeneinander liegende Atome unterschiedlich wahrnehmen, je nachdem, ob sie z.B. von links nach rechts oder senkrecht dazu aufeinander folgen.

„Auch dieses Phänomen lässt sich auf makroskopischer Ebene bei zwei Magneten beobachten, die sich unterschiedlich stark abstoßen oder anziehen, je nachdem ob man sie neben- oder voreinander anordnet“, so Christian Groß. Bei Natrium- und Chlorid-Ionen hingegen liegt der Kristallbildung eine winkel­unabhängige Wechsel­wirkung zugrunde. Diese einfachere Art der Wechsel­wirkung konnten die Physiker ebenfalls mit Laserstrahlen gezielt einstellen.

Den Forschungsgruppen um Immanuel Bloch, Christian Groß und Thomas Pohl ist es damit gelungen, eine neuartige Form der Wechsel­wirkung zwischen zwei Atomen zu induzieren und zu charakterisieren. Die Kontrolle über diese Wechselwirkung mithilfe von Licht öffnet die Tür zur Erforschung mikroskopischer Systeme, in denen Atome wie kleine Magnete wirken und miteinander über weite Entfernungen wechselwirken. Solche Systeme versprechen die Untersuchung einer großen Vielfalt spannender Phänomene, zum Beispiel auch eines bisher nicht experimentell nachgewiesenen „Super-Festkörpers“, der fest und flüssig zugleich ist.

MPQ / DE