Wie ultrakalte Atome mit Spins jonglieren

Die Wechselwirkungen und Bewegungen von Elektronen bestimmen stark das physikalische Verhalten von Stoffen. Während ein einzelnes Elektron ein relativ einfaches Objekt ist, charakterisiert durch seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Eigendrehimpuls, den Spin, kann das kollektive Verhalten eines Systems aus vielen interagierenden Elektronen außerordentlich komplex sein. Eine korrekte Beschreibung dieses komplexen Verhaltens ist meist der Schlüssel zum Verständnis der Materialeigenschaften. Seit einigen Jahren versuchen Forscher daher, das Verhalten von Elektronen-Ensembles in besonders gut kontrollierten Bedingungen nachzubilden, indem sie ultrakalte Gase in künstlichen Gittern aus Licht als Modelle für kristalline Festkörper präparieren. Ein Team der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik hat nun gezeigt, dass bestimmte Atome auch durch Austausch ihrer Spins wechselwirken können, auch wenn sie sich in verschiedenen elektronischen Orbitalen befinden. Dieser Prozess war bisher nur bei Elektronen bekannt. Die Wissenschaftler präparierten die Atome zunächst in verschiedenen Spin-Zuständen, um sie danach paarweise in Wechselwirkung zu bringen. Anschließend bestimmten sie die damit verbundene Energiemenge. Dabei konnten die Forscher nachweisen, dass der Spin-Austausch-Prozess bei Ytterbium-Atomen in einer besonders symmetrischen Weise stattfinden kann, die bislang nur theoretisch vorher gesagt worden war. Der experimentelle Nachweis ebnet den Weg, bislang unzugängliche Quantenphänomene experimentell zu untersuchen.

Elektronen in Festkörpern können generell in zwei Gruppen eingeteilt werden: in bewegliche und unbewegliche. Elektrische Leiter verfügen naturgemäß über viele bewegliche Elektronen, während einfache Isolatoren normalerweise nur unbewegliche besitzen. Ob sich ein Elektron bewegen kann oder nicht, ist durch seine sogenannte Wellenfunktion vorgegeben, die man auch als Orbital bezeichnet. Ein Elektron kann normalerweise durch Angabe von Spin, Orbital und Position vollständig beschrieben werden. Der Spin, welcher nur in der quantenmechanischen Beschreibung existiert, entspricht dabei grob einer dem Teilchen eigenen Rotation um die eigene Achse.

In einfachen Materialien wie den meisten Isolatoren und metallischen Leitern hat der Spin nur einen geringen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Bei Magneten und Supraleitern spielt er dagegen eine entscheidende Rolle. In diesen Bereichen sind viele Phänomene bislang nicht vollständig geklärt. Ein relativ junger Ansatz für das Verständnis solcher komplexer Materialien ist die Quantensimulation des von den Elektronen gebildeten Vielteilchensystems. Dazu bauen die Forscher die Kristallstrukturen von Materie mit Laserstrahlen nach, ultrakalte Atome übernehmen die Rolle der Elektronen darin. Dabei muss die Wechselwirkung zwischen den Atomen diejenige zwischen den Elektronen in allen wichtigen Eigenschaften korrekt nachbildet. Um dies zu erreichen und nachzuweisen, präparierten Francesco Scazza von der LMU und seine Kollegen ein extrem kaltes Ensemble aus fermionischen Ytterbium-Atomen so, dass sie sich als voneinander isolierte Paare aus jeweils zwei Atomen in dem Lichtgitter anordneten. Für Ytterbium-Atome, die zu den Seltenen Erden zählen, sagte die Theorie vorher, dass aufgrund ihrer spezifischen internen Struktur die Wechselwirkung zwischen beweglichen und unbeweglichen Teilchen analog zu jener zwischen Elektronen unterschiedlicher Orbitale stattfindet. Dabei handelt es sich um einen Vorgang, bei dem zwei Atome bei Kontakt ihre Spin-Eigenschaften austauschen, wobei sie ihre ursprünglichen Orbitale beibehalten, und zusätzlich aneinander abgelenkt werden. Dieses Verhalten könnte die extrem starken Unterschiede in der Leitfähigkeit von Metallen, das Auftreten „schwerer“ Elektronen oder das Herausbilden bestimmter Formen von Supraleitung und magnetischer Ordnung erklären. Wichtig ist das Modell auch für den noch immer rätselhaften Effekt des „kolossalen magnetischen Widerstands“, der in neuartigen elektronischen und spintronischen Geräten Anwendung finden könnte.

Wenn Ytterbium-Atome in die Rolle der Elektronen schlüpfen, ist es der Spin ihres Kerns, der dem Spin des Elektrons entspricht. Da Atome und ihre Kerne weit komplexer aufgebaut sind als ein einzelnes Elektron, hat der Ytterbium-Spin mehr Orientierungsmöglichkeiten. So kann der Spin eines Elektrons nur in zwei Richtungen weisen, das Ytterbium-Atom kann sich dagegen eine von bis zu sechs möglichen Spin-Einstellungen aussuchen. Bei den meisten anderen Elementen sind diese Spin-Zustände nicht gleichwertig, und daher könnten nur zwei der Zustände gleichzeitig auftreten ohne einen Bruch der fundamentalen Spin-Symmetrie SU(2). Ytterbium aber gehört zu einer kleinen Gruppe von Elementen, bei denen diese Symmetrie für mehr als zwei Komponenten vorhergesagt wurde. Mit Ytterbium-Atomen lassen sich daher Vielteilchensysteme einer erweiterten SU(N)-Symmetrie verwirklichen. „Diese Aussicht ist besonders interessant, denn wir erwarten für solche Systeme, die es in der Natur nicht gibt, sehr ungewöhnliche und schwer vorhersagbare Eigenschaften, wie etwa exotisches Ordnungsverhalten“, erklärt Scazza. „Vor unseren Messungen war nicht klar, ob eine solche Symmetrie nicht durch zusätzliche Orbitale oder den Spin-Austausch zwischen Atomen gebrochen werden kann.“

Scazza und seine Kollegen bestrahlen die isolierten Atom-Paare im Experiment mit Laserlicht, dessen Frequenz sie auf 12 Dezimalstellen genau kontrollieren müssen. Aufgrund dieser extrem hohen Stabilität der Laser und der Verwendung spezieller, auf den Spin empfindlichen Präparations- und Nachweismethoden waren die Physiker in der Lage, die Spin-Austausch-Wechselwirkung quantitativ zu bestimmen, verschiedene Spin-Kombinationen unabhängig voneinander zu analysieren und die spezifische sechsfache Spin-Symmetrie nachzuweisen. Darüber hinaus gelang es Scazza und seinen Kollegen, die Spin-Austausch-Prozesse in Echtzeit zu beobachten, indem sie die zeitliche Entwicklung der Populationen der verschiedenen Spin-Zustände bestimmten.

Die Experimente sind ein großer Fortschritt für die Simulation von Materialien aus stark korrelierten Elektronen mit Hilfe ultrakalter Atome. Sie bieten verschiedene Wege für die Beobachtung von komplexen und sogar vollständig neuartigen Materiephasen an, von magnetischen bis zu „Schwere Fermionen“-Materialien, und von Spin-Flüssigkeiten bis zu exotischen Magneten mit Ordnungen höherer Symmetrie.

MPQ / RK