Atomare Zerstreuung im Supraleiter

Selbst bei tiefsten Temperaturen beeinflussen Phasenwechsel die Leitfähigkeit. Amerikanische Physiker untersuchten diese Quanteneffekte exemplarisch an einem Bose-Einstein-Kondensat.

Urbana (USA) – Thermische Fluktuationen auf atomarer Ebene üben einen Einfluss auf die Supraleitung dünner Nanodrähte aus und können einen messbaren elektrischen Widerstand zur Folge haben. Doch auch in extrem kalter Umgebung treten Störeffekte durch winzige Phasenänderungen auf. Amerikanische Physiker untersuchten diese Quanteneffekte nun exemplarisch an einem Bose-Einstein-Kondensat. Ihre Ergebnisse könnten zu einem besseren Verständnis von suprafluiden Systemen und metallischen Phasen in Nanometer dünnen Materialien führen.

„Wir untersuchen den Transport von ultrakalten Atomen, die in einem optischen Gitter eingefangen sind“, schreiben Brian DeMarco und seine Kollegen von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Dazu erzeugten sie bei etwa 0,13 Mikrokelvin zuerst ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK) aus Rubidium-87-Atomen, dass sie mit einer magnetischen Falle kontrollierten. Je drei oder weniger Atome überführten sie danach in ein optisches Raumgitter. Dieses bauten sie aus drei Paaren, senkrecht aufeinander ausgerichteter Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 812 Nanometern auf.

Durch eine winzige, sieben Millisekunden dauernden Änderung der Gleichgewichtslage des BEK im Magnetfeld regten sie die Atome zu einer Bewegung an. Kurz darauf schalteten sie sowohl das Magnetfeld als auch die optische Falle aus. Das tiefkalte Ensemble der Rubidium-Atome konnte dadurch frei expandieren. Über eine Flugzeitmessung ließ sich diese Ausbreitungsgeschwindigkeit der Atome bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass innerhalb von 200 Millisekunden diese Geschwindigkeit periodisch von etwa 1,5 auf deutlich unter 0,2 Millimeter pro Sekunde gedämpft wurde.

Diese gedämpfte Bewegung der Atome bildet eine wichtige Komponente für mögliche Phasenveränderungen bei tiefkalten Temperaturen. „Das Verhalten bei tiefen Temperaturen ist konsistent mit der Theorie des Quantentunnelns von Phasenveränderungen“, erläutern DeMarco und Kollegen den Vergleich mit den Voraussagen gemäß dem Bose-Hubbard-Modell. Die Dämpfungsrate der Atome, die sich analog zum elektrischen Widerstand in Festkörpern verhält, entspricht gut dem theoretischen Dämpfungsmodell für den absoluten Temperatur-Nullpunkt.

Die Ergebnisse dieses Experiments helfen dabei, die Grenzen der atomaren Bewegung und möglicher Phasenveränderungen bei extrem tiefen Temperaturen auszuloten. DeMarco und Kollegen sehen darin eine gute Grundlage, Störeffekte in supraleitenden Nanodrähten oder in suprafluidem Helium besser zu verstehen. Da supraleitende Nanostrukturen auch für den Aufbau von Quantenbits geeignet sind, könnte die gedämpfte Bewegung von Atomen auch von Bedeutung für zukünftige Quantencomputer sein.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  D. McKay et al., Phase-slip-induced dissipation in an atomic Bose–Hubbard system, Nature 453, 76 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06920
• University of Illinois, Urbana-Champaign:
  http://www.uiuc.edu
• Department of Physics:
  http://www.physics.uiuc.edu
• Arbeitsgruppe DeMarco:
  http://research.physics.uiuc.edu/DeMarco/

Weitere Literatur:

• Mooij, J. E. & Nazarov, Y. V. Superconducting nanowires as quantum phase-slip junctions. Nature Phys. 2, 169–172 (2006).
• Henderson, K. et al. Experimental study of the role of atomic interactions on quantum transport. Phys. Rev. Lett. 96, 150401 (2006).
• Fallani, L. et al. Observation of dynamical instability for a Bose-Einstein condensate in a moving 1D optical lattice. Phys. Rev. Lett. 93, 140406 (2004).