15.04.2011

Volle Kontrolle über ultrakaltes Designer-Atom

Synthetisches Quantensystem kann dazu beitragen, fundamentale Wenigteilchensysteme besser zu verstehen.

Synthetisches Quantensystem kann dazu beitragen, fundamentale Wenigteilchensysteme besser zu verstehen.

In Experimenten mit ultrakalten Lithiumatomen ist es Physikern der Universität Heidelberg und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik gelungen, ein einstellbares Wenigteilchensystem, ein „künstliches Atom“, reproduzierbar zu präparieren. Durch das hohe Maß an Einstellbarkeit dieses Systems, die nicht nur die Anzahl der Konstituenten, sondern auch deren Wechselwirkung untereinander umfasst, kann es dazu beitragen, fundamentale Bausteine der Materie, beispielsweise Atomkerne aus Protonen und Neutronen, oder Atome aus Kern und Elektronen, besser zu verstehen.

Abb.: Ausgehend von einem Fermi-Gas mit etwa 600 Atomen werden überschüssige Atome durch Deformation des Potentials entfernt. Nach Wiederherstellung der Potentialform befindet sich das System in einem wohldefinierten Zustand weniger Teilchen. (Bild: F. Serwane et al., arXiv:1101.2124)

Forscher der Universität Heidelberg haben die Herausforderung, synthetische Systeme mit gezielt einstellbaren Eigenschaften zu bauen, nun gemeistert und ein solches künstliches Atom reproduzierbar in einem genau definierten Quantenzustand präpariert. Die Rolle der Elektronen des Atoms nehmen dabei ultrakalte, fermionische Lithium-6-Atome ein, die in einer wenigen Mikrometer großen Lichtfalle gefangen sind. „Die Falle wird aus einem Reservoir von Lithiumatomen mit einer Temperatur von weniger als einem millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gefüllt. Aufgrund des Paulischen Ausschließungsprinzips ist jeder Quantenzustand in dem kleinen Potential mit genau einem Atom besetzt, ganz analog zu den Elektronen in einem Atom“, so Friedhelm Serwane von der Universität Heidelberg.

Die Teilchenzahl wird präpariert, indem die durch den Laserstrahl geformte Falle mit einem räumlich variierenden Magnetfeld überlagert wird. Die Lithiumatome besitzen ein magnetisches Moment und erfahren daher eine Kraft, durch die diese Falle gekippt wird. Die Stärke des Kippens beeinflusst die Zahl der verbleibenden Atome. Die Einstellbarkeit des präparierten Systems geht soweit, dass die Wechselwirkung zwischen den Teilchen nach Belieben verändert werden kann. Damit kann in dem künstlichen Atom ein Effekt erzielt werden, der dem Vorgang vergleichbar ist, in einem echten Atom die Ladung der Elektronen zu variieren. Mit diesem Grad an Kontrolle öffnen die Experimente die Tür zur Simulation einer Vielzahl von Quantensystemen. Damit kommen die Physiker Feynmans Idee eines universellen Simulators für Quantensysteme einen Schritt näher.

U Heidelberg / KK

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