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Quantendynamik von Materiewellen enth√ľllt Mehrteilchen-Kollisionen



13. May 2010, 14:35 EDT

Bei extrem tiefen Temperaturen k√∂nnen sich Atome in sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten zu koh√§renten, laserartigen Materiewellen zusammenschlie√üen. Aufgrund der Wechselwirkungen der Atome untereinander entwickeln diese Materiewellen eine Art Eigendynamik, die zu einem zeitlich periodischen Zusammenbrechen und Wiederaufleben des Wellenfeldes f√ľhrt. Einer Gruppe um Prof. Immanuel Bloch (Lehrstuhl f√ľr Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universit√§t M√ľnchen und Direktor der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme am Max-Planck-Institut f√ľr Quantenoptik in Garching bei M√ľnchen) gelang es jetzt erstmals, diese Quantendynamik √ľber lange Zeiten hinweg zu beobachten. Dazu erzeugten die Forscher Tausende von Miniatur-Bose-Einstein-Kondensaten, regelm√§√üig angeordnet in einem ¬Ąoptischen Gitter¬ď, und verfolgten das Zusammenbrechen und Wiederaufleben der Materiewellen. Die genaue Analyse der Messreihen enth√ľllte eine komplexe Struktur in dieser Dynamik, die durch fundamentale Vielteilchenwechselwirkungen verursacht wird: entgegen g√§ngigen Annahmen spielen dabei nicht nur paarweise Wechselwirkungen, sondern auch St√∂√üe zwischen mehreren Atomen eine wichtige Rolle (Nature, DOI:10.1038/nature09036). Dieses Ergebnis ist einerseits von fundamentaler Bedeutung f√ľr das Verst√§ndnis von Quanten-Vielteilchensystemen; es erm√∂glicht andererseits die Erzeugung neuer exotischer Materiezust√§nde, die auf solchen Vielteilchenwechselwirkungen basieren.

Das Experiment beginnt damit, eine d√ľnne Wolke aus mehreren hunderttausend Atomen auf Temperaturen dicht √ľber dem absoluten Nullpunkt abzuk√ľhlen. Bei diesen Temperaturen bildet sich ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus, eine Quantenphase, in der sich alle Atome im gleichen Quantenzustand befinden. Diesem BEC wird nun ein optisches Gitter √ľberlagert: das ist eine Art k√ľnstlicher Kristall aus Licht, in dem sich durch √úberlagerung mehrerer stehender Laserlichtwellen helle und dunkle Gebiete periodisch abwechseln. In diesem ¬Ė einem Eierkarton √§hnlichen ¬Ė Kristall verteilen sich die Atome auf die Gitterpl√§tze. Doch w√§hrend in einem echten Eierkarton in einer Kuhle entweder genau ein Ei oder gar keins sitzt, werden die Besetzungszahlen hier von den Gesetzen der Quantenmechanik geregelt. Zwar ist die Wahrscheinlichkeit f√ľr ein oder zwei Atome an einem Gitterplatz am gr√∂√üten, aber bei entsprechender Einstellung der Gitterh√∂he (d.h. der Laserintensit√§t) k√∂nnen auch drei, vier oder mehr Atome vorkommen. Und da es sich hier um Quantenteilchen handelt, k√∂nnen alle Besetzungszahlen ¬Ė mit unterschiedlichem Gewicht ¬Ė gleichzeitig auftreten.

Die Existenz dieser √úberlagerungszust√§nde ist der Schl√ľssel f√ľr das neue Messprinzip. ¬ĄSo wie Pendel unterschiedlicher L√§nge auch unterschiedliche Schwingungsfrequenzen haben, so ist jeder Besetzungszustand durch eine bestimmte Eigenfrequenz charakterisiert¬ď, erkl√§rt Sebastian Will, Doktorand am Experiment. ¬ĄSt√∂√üe zwischen den Atomen beeinflussen die Eigenfrequenzen. W√ľrden die Atome z.B., wie bislang angenommen, immer nur paarweise zusammensto√üen, dann w√§ren die Frequenzen h√∂herer Besetzungszust√§nde immer ein Vielfaches der Grundfrequenz eines Zweierzustands.¬ď

Mit einer trickreichen experimentellen Anordnung gelang es den Physikern, die √úberlagerung der verschiedenen Schwingungen in ihrer zeitlichen Entwicklung zu verfolgen. Die Wissenschaftler konnten beobachten, dass in regelm√§√üigen Zeitabst√§nden Interferenzbilder auftreten ¬Ė ein Zeichen daf√ľr, dass die Schwingungen im Gleichtakt sind ¬Ė und wieder zusammenfallen (siehe Abbildung unten). ¬ĄIntensit√§t und Periodizit√§t der Interferenzbilder ergeben ein Schwebungsmuster, das sich mit einer reinen Paar-Wechselwirkung nicht in Einklang bringen l√§sst¬ď, erkl√§rt Sebastian Will. ¬ĄVielmehr muss ein komplexerer Sto√ümechanismus wirksam sein, der auch die Wechselwirkung von mehreren Atomen miteinander, wir konnten eine Beteiligung von bis zu sechs nachweisen, einschlie√üt.¬ď Solche exotischen St√∂√üe sind m√∂glich, da Heisenbergs Unsch√§rfeprinzip den Atomen erlaubt, w√§hrend der Kollision einen virtuellen Umweg √ľber energetisch h√∂her gelegene Quantenzust√§nde zu nehmen.

Dieses Resultat ist √ľberraschend und von grundlegender Bedeutung, um die Wechselwirkung zwischen mikroskopischen Teilchen besser zu verstehen. Gleichzeitig demonstriert es, mit welchem hohen Grad an Kontrolle sich Quantenmaterie in optischen Gittern manipulieren l√§sst. Diese au√üergew√∂hnliche Steuerbarkeit wollen die Wissenschaftler nutzen, um komplexe Festk√∂rpersysteme zu ¬Ąsimulieren¬ď und die der Supraleitung oder dem Quantenmagnetismus zugrunde liegende Physik zu erkl√§ren. Ein weiterer Vorteil von optischen Gittern liegt darin, dass jeder der mehreren hunderttausend Gitterpl√§tze ein Miniaturlabor darstellt, um exotische Quantenzust√§nde zu erzeugen. Dies macht diese Anordnungen zu den wahrscheinlich empfindlichsten Messinstrumenten f√ľr die Beobachtung atomarer St√∂√üe. Olivia Meyer-Streng

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