Stabiler Quantencocktail
Störungsresistentes Quantensystem realisiert.
Wenn man beim Barkeeper einen Cocktail bestellt, kann man darauf vertrauen, dass er die Zutaten im Shaker gut vermischt. In der Quantenwelt könnte man dagegen eine Überraschung erleben: Ein Forscherteam der TU München, der Uni München und des MPI für Quantenoptik hat jetzt Quantenmaterie realisiert, die starkem periodischen Schütteln widersteht – ein Quantencocktail ließe sich damit nicht mehr mixen.
Abb.: Ein ungewöhnlich stabiles Quantensystem hat jetzt ein Forscherteam realisiert. (Bild: C. Hohmann, NIM)
Quantenmaterie ist normalerweise sehr empfindlich. Selbst geringe, zeitlich variierende Kräfte haben typischerweise langfristig gravierende Folgen, da sie das System stören und den Ausgangszustand stark verändern. Bisher ging man davon aus, dass sich Quantensysteme im Normalfall durch Schütteln durchmischen, da das System durch die Schüttelbewegung Energie aufnimmt und sich unbegrenzt erwärmen kann.
Das Team konnte jedoch experimentell einen exotischen Quantenzustand nachweisen, der diesem Schütteleffekt widersteht. Dafür kühlten die Wissenschaftler atomaren Kaliumdampf in einer Vakuumkammer auf extrem niedrige Temperaturen ab. Diese ultrakalten Kaliumatome luden sie anschließend in ein optisches Gitter aus mehreren sich überlagernden Laserstrahlen. Die Laserstrahlen bilden dabei die Gitterstäbe, zwischen denen die Atome aufgefangen werden. „Wichtig war dabei, dass wir in das optische Gitter zusätzlich kontrolliert Unordnung eingebaut haben, indem wir die einzelnen Gitterplätze zufällig nach oben und unten verschoben haben“, sagt Pranjal Bordia, Erstautor der Studie.
Auch die Kaliumatome verteilten sie nicht gleichmäßig im Gitter, sondern lokalisierten sie in speziellen Bereichen. Anschließend schüttelten die Forscher das Quantensystem, indem sie die Laserstärken variierten. Dabei zeigte sich, dass dieses System so stabil ist, dass es keinerlei Durchmischung gibt: Die Kaliumatome hüpfen etwas, ihr Verteilungsmuster im Gitter bleibt aber intakt. Mit diesem Erfolg bestätigen die Wissenschaftler kürzlich publizierte theoretische Vorhersagen für diesen exotischen Quantenzustand. Dass das neu realisierte, bisher unbekannte Quantensystem über unerwartet lange Zeit stabil bleibt, bestätigten auch numerische High-
Der aktuelle Nachweis könnte neue Möglichkeiten für Anwendungen wie etwa die Entwicklung robuster Quantencomputer eröffnen. Zudem liefern Studien zu exotischen Quantenzuständen neue Erkenntnisse zu wichtigen Grundsäulen der theoretischen Physik.
TUM / RK
