Ultrakalte Atome spontan in suprafluide Rotation versetzt

Neuartige Phänomene sind mit dem Quanten-Hall-Effekt verwandt.

Ultrakalte bosonische Atome in höheren Bloch-Bändern eines aus drei inter­ferierenden Laser­strahlen gebildeten hexa­gonalen Licht­gitters können eindrucks­volle Arten super­fluider Ordnung ausbilden. Einem inter­natio­nalen Forschungs­team der SUSTech University in China, der Pittsburgh University in den USA und der Uni Hamburg ist es jetzt gelungen, eine spontane Brechung der Zeit­umkehr­invarianz zu beobachten, wobei die Atome verblüffender Weise in kollektive Rotation versetzt werden. „Die jetzt beobachteten Phänomene sind mit dem Quanten-Hall-Effekt verwandt, unter­scheiden sich aber kon­zep­tuell“, sagt Andreas Hemmerich von der Uni Hamburg.

Abb.: Rotations­ord­nung ultra­kalter Atome im zweiten Band eines...
Abb.: Rotations­ord­nung ultra­kalter Atome im zweiten Band eines hexa­go­nalen Gitters. Kreise kenn­zeich­nen die Wirbel, Pfeile den Dreh­sinn. Unter­schied­liche Farben sym­bo­li­sieren die lokale Phase des Ord­nungs­para­meters. (Bild: AG Hemmerich, U. Hamburg)

Bei den in Shenzhen in der Arbeits­gruppe Zhifang Xu durch­ge­führten Experi­menten, die Hemmerich maßgeblich konzeptuell und technisch unter­stützte, wurden ultra­kalte bosonische Atome im zweiten Bloch-Band eines hexa­gonalen Licht­gitters mit zwei­teiliger Einheits­zelle präpariert und zu extrem tiefen Tempe­ra­turen abgekühlt.

Unterhalb einer kritischen Temperatur kam es zu einer spontanen Brechung der Zeit­umkehr­invarianz. Dabei wurden die Atome auf magische Weise in kollektive Rotation versetzt und bildeten ein Gitter von mikro­skopischen Wirbeln aus, deren gemein­samer Drehsinn durch Quanten­fluktu­a­tionen zufällig ausgewählt wird.

Durch grundlegende theoretische Über­legungen fand das Forscher­team heraus, dass die entstehende supra­flüssige Ordnung ein topo­lo­gisches Anregungs­spektrum besitzt und topo­logische Rand­zustände ausbildet. Diese wechsel­wirkungs­indu­zierten Phänomene weisen eine Verwandt­schaft mit dem Quanten-Hall-Effekt in elektro­nischer konden­sierter Materie auf.

U. Hamburg / RK

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