Ultrakaltes Designer-Atom kreiert

In Experimenten mit ultrakalten Lithiumatomen ist es Heidelberger Physikern gelungen, ein einstellbares Wenigteilchen-System, 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 ein solches „Designer-Atom“ dazu beitragen, fundamentale Wenigteilchen-Systeme in der Natur besser zu verstehen, berichtet das Wissenschaftsmagazin „Science“.

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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. Darauf basieren zum Beispiel Atomuhren, die diese Reproduzierbarkeit nutzen, um die Zeit mit extremer Präzision zu messen.

Quantenpunkte und atomare Cluster

„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 Wenigteilchen-Systeme mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen. Beispiele für solche künstlichen Atome sind Quantenpunkte und atomare Cluster“, erläutert Professor Selim Jochim von der Universität Heidelberg.

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.

Atome in der Falle

Forscher der Universität Heidelberg und vom Max-Planck-Institut für Kernphysik haben diese Herausforderung nun 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 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, der Erstautor der „Science“-Studie.

Falle mit Magnetfeld überlagert

Die Teilchenzahl wird den Wissenschaftlern zufolge 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, so die Forscher. 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.

Auf dem Weg zum universellen Quantensimulator?

Mit dem hohen Grad an Reproduzierbarkeit und Einstellbarkeit öffnen die Heidelberger Experimente die Tür zur Simulation einer Vielzahl von Quantensystemen. Damit kommen die Physiker der Idee des Physik-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 von Jochims Team hatten bereits in den Monaten zuvor zu wichtigen Ergebnissen geführt. So konnten die Wissenschaftler zum ersten Mal so genannte Efimov-Trimere direkt nachweisen, nach denen jahrzehntelang gesucht wurde. (Science, 2011; doi:10.1126/science.1201351)

(Universität Heidelberg, 18.04.2011 – DLO)