Mikroskop für 3D-Quantensysteme
Neue Technik für die Quantengasmikroskopie entwickelt.
In der Quantensimulation studieren Forschende ein kontrolliertes Quantensystem im Labor, um die Physik eines anderen, weniger kontrollierten Systems zu verstehen. Beispielsweise verwendet man ultrakalte Atome, die in Stehwellen aus Laserlicht gefangen sind, um die Physik der Elektronen im Festkörper nachzubilden und neue Einsichten in deren Quantenphasen zu gewinnen. Neben der kontrollierten Präparation des Systems ist dabei auch die Abbildung entscheidend. So erlauben Quantengasmikroskope die Detektion sämtlicher Teilchen des Quantensystems und damit Zugang zu beliebigen Korrelationsfunktionen zur Charakterisierung des Zustands. Diese Technologie basiert auf der optischen Auflösung der Gitterplätze mit einem Abstand von typischerweise einem halben Mikrometer und war daher bislang durch die Tiefenschärfe auf zweidimensionale Systeme beschränkt.
In der neuen Methode der Forscher um Christof Weitenberg und Klaus Sengstock vom Hamburger Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ wird dies nun überwunden und die Auflösung auch von dreidimensionalen Systemen möglich. Dazu verwenden die Wissenschaftler Materiewellen-Optik, also eine Vergrößerung der Dichteverteilung der ultrakalten Atome selbst um einen Faktor von bis zu neunzig. Die optische Abbildung der Atome nach dieser Vergrößerung ist dann einfach möglich ohne Limitierung von Beugung oder Tiefenschärfe. Die Materiewellen-Optik basiert auf einer Linse in Form einer harmonischen Falle, die für eine Viertel-Periode angeschaltet wird, und einer anschließenden freien Expansion der Atome. Beide Prozesse führen zu einer Transformation zwischen Ortsraum und Impulsraum und in Kombination zu der vergrößernden Abbildung.
Die Forscher nutzen die neue Technik, um Bose-Einstein Kondensate aus ultrakalten Rubidium Atomen in einem optischen Gittern zu studieren. So gelingt ihnen eine besonders genaue Vermessung des Phasenübergangs in das Bose-Einstein Kondensat. Als nächstes wollen sie die neue Mikroskopie-Technik weiterentwickeln. So sollte es möglich sein, in einem Regime von wenigen Atomen pro Gitterplatz sämtliche Atome einzeln nachzuweisen. Darüber hinaus lassen sich durch Modifikation der Materiewellen-Optik neben der Dichte auch die Kohärenzeigenschaften des Systems räumlich aufgelöst vermessen. Luca Asteria, der die Technik mit seinen Kollegen entwickelt hat, erklärt: „Mit dieser Mikroskopie-Technik können wir völlig neue Regime erforschen, die vorher nicht zugänglich waren.“
U. Hamburg / JOL
