Quantenzustand unter dem Mikroskop

Wie ultrakalte Atome in einem Lichtgitter einen Mott-Isolator bilden, haben Forscher in Garching jetzt atomgenau verfolgt.

Ultrakalte atomare Gase in optischen Gittern sind ein „heißes“ Forschungsobjekt sowohl für die Atomphysik, wie auch für die Quanteninformationsverarbeitung und die Physik der kondensierten Materie. Mit Atomen in Lichtgittern lassen sich genauere Atomuhren oder Speicher für Quantenbits herstellen. Doch vor allem kann man an diesen künstlichen Kristallen untersuchen, wie sich komplexe quantenmechanische Vielteilchensysteme verhalten, die man mit traditionellen experimentellen Methoden oder Computersimulationen nur schwer in den Griff bekommt. Jetzt haben Forscher vom MPI für Quantenoptik in Garching Atome, die in einem Lichtgitter einen Mott-Isolator bildeten, einzeln sichtbar gemacht und damit neue Einblicke in diesen Quantenzustand erhalten.

Abb.: Im Bose-Einstein-Kondensat schwankt die Zahl der Atome pro Gitterplatz stark (links), während sie im Mott-Isolator praktisch konstant ist (Mitte). Wird die Teilchenzahl weiter erhöht, so zeigt der Mott-Isolator eine Schalenstruktur (rechts): Der zentrale Bereich hat pro Gitterplatz ein Atom mehr als der ihn umgebende Ring. (Bild: Jacob F. Sherson et al., MPQ)

Stefan Kuhr und seine Kollegen haben für ihr Experiment zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat aus bis zu 2000 Rubidium-87-Atomen herstellt, die sich in einem Lichtgitter befanden. Das Gitter wurde durch drei zueinander senkrechte, stehende Lichtwellen erzeugt, deren Intensitätsmaxima die Atome anzogen und festhielten. Die Atome verteilten sich auf die hellen Bereiche des Lichtfeldes wie Murmeln in den Mulden eines Eierkartons. Sie bildeten ein zweidimensionales Kondensat auf einem Schachbrettgitter, in dem benachbarte Gitterplätze einen Abstand von 532 nm hatten. Jeder Gitterplatz konnte eine bestimmte Zahl von Atomen beherbergen.

Um herauszufinden, wie viele Atome auf den einzelnen Gitterplätzen saßen, brachten die Forscher die Atome mit Laserstrahlung zum Leuchten. Mit einem Mikroskop stellten sie fest, ob ein Gitterplatz leuchtete oder nicht, ob er also besetzt oder leer war. Die Sichtbarmachung der Atome war allerdings nicht „zerstörungsfrei“. Saßen mehrere Atome auf einem Gitterplatz, von denen eines ein Laserphoton absorbiert hatte, so zog das angeregte Atom die anderen an. Nachdem es das Photon wieder emittiert hatte, kollidierte es mit einem der anderen Atome und die beiden Teilchen flogen aus dem Lichtgitter. Das ging solange, bis nur noch ein oder kein Atom auf dem Gitterplatz blieb, je nachdem ob die Zahl der Atome anfänglich ungerade oder gerade gewesen war. Auf dem 0,9 s lang belichteten Bild des Gitters war deshalb nie mehr als ein Atom pro Gitterplatz zu sehen. Anschließend musste die Forscher das Lichtgitter erneut mit Atomen laden.

Auf diese Weise konnten Stefan Kuhr und seine Mitarbeiter beobachten, dass im Bose-Einstein-Kondensat die Zahl der Atome auf den Gitterplätzen starke Schwankungen zeigte, wie man es der Theorie zufolge auch erwartete. Die Atome konnten sich auch bei extrem tiefer Temperatur im Gitter unbehindert umher bewegen, indem sie von einer Mulde des Eierkartons zu einer benachbarten Mulde quantenmechanisch tunnelten. Sie bildeten eine Supraflüssigkeit, die sich reibungsfrei im Gitter bewegen konnte.

Doch dann erhöhten die Forscher die Intensität des Lichtgitters und machten dadurch die Mulden des atomaren Eierkartons tiefer, sodass den Atomen das Tunneln immer schwerer fiel. Schließlich machte es sich bemerkbar, dass es Energie kostete, wenn sich mehrere Atome auf einem Gitterplatz aufhielten. Bei sehr tieferer Temperatur mieden die Atome deshalb einander und verteilten sich möglichst gleichmäßig auf das Gitter, ohne dass noch ein Austausch von Atomen zwischen den Gitterplätzen stattfand. Es war ein sogenannter Mott-Isolator entstanden, den Forscher um Immanuel Bloch 2002 zum ersten Mal an ultrakalten Atomen in einem Lichtgitter beobachtet hatten.

Doch konnten Stefan Kuhr und seine Kollegen einen Mott-Isolator atomgenau sichtbar machen und studieren. Wurde die Zahl der Atome im Isolatorzustand stetig erhöht, so füllten die Atome nach und nach Schalen auf. Da die Laserstrahlen, die das Lichtgitter erzeugten, eine zum Rand hin abfallende Intensität hatten, war es für die Atome aus Energiegründen günstiger, das Gitter von der Mitte her aufzufüllen, zunächst mit einem Atom pro Gitterplatz. Doch irgendwann wurde die Energie der Atome zum Rand des Gitters hin zu groß, so dass von der Mitte her die Gitterplätze mit zwei Atomen gefüllt wurden. Es bildeten sich deshalb schalenförmige Bereiche mit abwechselnd gerader oder ungerader Teilchenzahl pro Gitterplatz auf, die im mikroskopischen Bild des Gitters als dunkle oder mit hellen Punkten gefüllte Ringe erschienen.

Innerhalb dieser schalenförmigen Bereiche des Mott-Isolators war die Teilchenzahl praktisch konstant und es traten keine Schwankungen auf. Hier war die Entropie null. Nur an den Rändern der Mott-Schalen, wo die Teilchenzahlen schwankten, konzentriert sich die Entropie. Erhöhten die Forscher die Temperatur der Atomwolke, so konnten sie verfolgen, wie Bewegung in die Atome kam, die jetzt die Barrieren zwischen den Eierkartonmulden immer häufiger überspringen konnten. Dies führte dazu, dass die starre und kristalline atomare Ordnung der Mott-Schalen vom Rand her zu schmelzen begann. Die perfekte Schalenstruktur des Mott-Isolators verschwand schließlich.

Das Garchinger Experiment eröffnet viele interessante Möglichkeiten. So kann man das stark korrelierte Quantensystem, das die Atome im Lichtgitter bilden, lokal mit Laserlicht stören und anschließend beobachten, wie sich die Störung und insbesondere ihre Entropie ausbreiten. Andererseits kann man die Atome einer Mott-Schale, in der auf jedem Gitterplatz nur ein Atom sitzt, als quantenmechanischen Datenspeicher nutzen. Dessen Qubits, auf sichere Distanz voneinander gehalten, ließen sich mit Laserstrahlung einzeln manipulieren, zur Wechselwirkung bringen und schließlich auslesen. Mit entsprechenden Experimenten haben Stefan Kuhr und seine Mitarbeiter schon begonnen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jacob F. Sherson et al.: Single-atom-resolved fluorescence imaging of an atomic Mott insulator. Nature (online 18.8.2010)
  dx.doi.org/10.1038/nature09378
  arxiv.org/abs/1006.3799
• Gruppe von Immanuel Bloch am MPI für Quantenoptik in Garching:
  www.quantum-munich.de/

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