F. Serwane, G. Zürn, T. Lompe, T.B. Ottenstein, A.N. Wenz, S. Jochim: Deterministic preparation of a tunable few-fermion system. Science, Vol. 332, 15 April 2011, 6027, doi: 10.1126/science.1201351
Ultrakaltes Designer-Atom
In Experimenten mit ultrakalten Lithiumatomen ist es Heidelberger Physikern gelungen, ein einstellbares Wenigteilchensystem, ein „künstliches Atom“, reproduzierbar zu präparieren. Durch das hohe Maß an Einstellbarkeit des Systems, die nicht nur die Anzahl der Konstituenten sondern auch deren Wechselwirkung untereinander umfasst, kann ein solches „Designer-Atom“ dazu beitragen, fundamentale Wenigteilchensysteme in der Natur besser zu verstehen.
Vorgenommen wurden die Experimente von Wissenschaftlern der Universität Heidelberg und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik unter Leitung von Prof. Selim Jochim vom Physikalischen Institut. Die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse erfolgte im renommierten Wissenschaftsjournal „Science“.Systeme, die aus einer kleinen, wohldefinierten Anzahl von Teilchen bestehen, sind die Bausteine der Materie. Beispiele dafür sind Atomkerne, die aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind, oder Atome, die aus einem Kern und einer gewissen Anzahl Elektronen bestehen. Die Eigenschaften von Atomen und Kernen sind von der Natur eindeutig festgelegt. Daher sind Messungen an solchen Systemen im Prinzip perfekt reproduzierbar – Atomuhren basieren darauf, die diese Reproduzierbarkeit nutzen, um die Zeit mit extremer Präzision zu messen.
„Der Preis für diese hohe Reproduzierbarkeit ist allerdings, dass sich die Eigenschaften dieser Systeme nur in sehr begrenztem Maße verändern lassen. Deshalb wird mit einer Vielzahl verschiedener Ansätze daran gearbeitet, synthetische Wenigteilchensysteme mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen. Beispiele für solche künstlichen Atome sind Quantenpunkte und atomare Cluster“, erläutert Prof. Jochim. Solche Systeme lassen sich zwar deutlich besser manipulieren als echte Atome oder Kerne, aber die Kontrolle über sämtliche quantenmechanischen Freiheitsgrade des Systems zu erlangen stellt eine besondere Herausforderung dar, da diese Systeme sehr stark an ihre Umgebung gekoppelt sind.
| Das Designer-Atom, ein einstellbares Wenigteilchensystem, wird aus ultrakalten Lithiumatomen präpariert (rote und blaue Kugeln). Diese entsprechen den Elektronen – die Falle dem Kern eines wirklichen Atoms (schwarze Linie). Durch kontrolliertes Kippen der Falle wird die Anzahl der Atome festgelegt. |
Die Forscher der Universität Heidelberg haben diese Herausforderung gemeistert und ein solches künstliches Atom reproduzierbar in einem genau definierten Quantenzustand präpariert. Die Rolle der Elektronen des Atoms nehmen dabei ultrakalte, fermionische Lithiumatome ein, die in einer wenige Mikrometer großen Falle gefangen sind. „Um diese Falle zu erzeugen, haben wir einen stark fokussierten Laserstrahl benutzt, in dem die Atome ins Maximum der Intensität gezogen werden. Die Falle wird aus einem Reservoir von Lithiumatomen mit einer Temperatur von weniger als einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gefüllt. Aufgrund des Pauli’schen Ausschließungsprinzips ist jeder Quantenzustand in dem kleinen Potenzial mit genau einem Atom besetzt, ganz analog zu den Elektronen in einem Atom“, so Friedhelm Serwane, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Selim Jochim und Erstautor des „Science“-Artikels.
Die Teilchenzahl wird präpariert, indem die durch den Laserstrahl geformte Falle mit einem räumlich variierenden Magnetfeld überlagert wird. Durch ihr magnetisches Moment erfahren die Lithiumatome eine Kraft, durch welche die Falle gekippt wird – die Stärke des Kippens beeinflusst die Zahl der verbleibenden Atome. Die Einstellbarkeit des präparierten Systems geht so weit, 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 dem hohen Grad an Reproduzier- und Einstellbarkeit öffnen die Heidelberger Experimente die Tür zur Simulation einer Vielzahl von Quantensystemen. Damit kommen die Physiker der Idee des Nobelpreisträgers Richard Feynman einen Schritt näher, der 1982 von einem universellen Quantensimulator träumte, der in der Lage sei, ein beliebiges Quantensystem im Labor zu simulieren.
Die Experimente der Arbeitsgruppe von Prof. Jochim haben bereits in der Vergangenheit zu international beachteten Ergebnissen geführt. So konnten die Wissenschaftler zum ersten Mal sogenannte Efimov-Trimere direkt nachweisen, nach denen jahrzehntelang gesucht wurde. Auch das wurde in „Science“ publiziert. Arbeitsgruppenleiter Jochim: „Der schnelle Erfolg meines Teams ist zu großen Teilen dem exzellenten Heidelberger Umfeld zu verdanken, zu dem das im Rahmen der Exzellenzinitiative gegründete Heidelberger Zentrum für Quantendynamik, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und das ExtreMe Matter Institute EMMI des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt essentiell beitragen.“
Kontakt:
Prof. Dr. Selim Jochim
Physikalisches Institut
Telefon: 0 62 21/516-229
E-Mail: jochim@uni-heidelberg.de