Neuer Materiezustand
Physikern gelang erstmals die Überführung von Materiewellen in ein Teilchengitter und zurück - wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quanten-Computing
In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature berichten Markus Greiner, Olaf Mandel, Theodor W. Hänsch und Immanuel Bloch von der Sektion Physik der LMU München sowie vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Tilman Esslinger von der Quantenelektronik der ETH Zürich von ihrem Durchbruch in der Welt ultrakalter Atome.
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| Materiewellen-Interferenzmuster eines Quantengases, das in einem dreidimensionalen Lichtgitter mit mehr als 100'000 besetzten Gitterplätzen gespeichert wurde. Die Abbildungen von links nach rechts: Interferenzmuster mit hohem Kontrast im superfluiden Regime eines Bose-Einstein-Kondensats; Interferenzmuster nach einem Quantenphasenübergang in einen Mott-Isolator ohne Phasenkohärenz; Wiederhergestellte Phasenkohärenz nach einem Quantenphasenübergang von einem Mott-Isolator zurück in ein Bose-Einstein-Kondensat. Foto: Max-Planck-Institut für Quantenoptik |
Nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt von 0 Kelvin (minus 273,15 Grad Celsius) finden in dem Material keine thermalen Fluktuationen mehr statt, nur noch Quanten-Fluktuationen. In einem solchen Kondensat verlieren die Atome ihre Individualität. Der Zustand der Materie wird wellenartig und lässt sich in mancher Hinsicht mit Laserlicht vergleichen. Im Laser haben die Lichtpartikel teils gleiche Energie, teils schwingen sie im gleichen Takt. Wenn Materie sich kontrolliert entsprechend verhält, also sozusagen im gleichen Takt tanzt oder marschiert, dann befindet sie sich im Zustand eines Bose-Einstein-Kondensat (BEC).
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Die Atome werden durch ihre gleichartiges Verhalten zu einem Superatom. Der indische Physiker Satyendra Nath Bose berechnete 1924 theoretisch ein entsprechendes Verhalten von Lichtteilchen. Seine "Photonenstatistik" schickte er an Albert Einstein, der die Theorie auf einen gewissen Typ von Atomen ausweitete. Einstein sagte voraus, dass, wenn man ein Gas aus derartigen Atomen auf eine sehr geringe Temperatur abkühle, alle Atome sich plötzlich in dem niedrigst möglichen Energiezustand ansammeln würden. Der Prozess ähnelt dem, der abläuft, wenn Flüssigkeitstropfen aus einem Gas gebildet werden, und wird deswegen Kondensation genannt.
1995 gelang es Forschern der University of Colorado in Boulder das von Bose und Einstein vorhergesagte Phänomen experimentell nachzuweisen, Eric Cornell und Carl Wieman erzeugten ein reines Kondensat von ca. 2'000 Rubidiumatomen bei 20 nK (Nanokelvin), das entspricht 0,00000002 Grad über dem absoluten Nullpunkt. 2001 ging der Physiknobelpreis für entscheidende Erkenntnisse zum Bose-Einstein-Kondensat an diese beiden Wissenschaftler und den Deutschen Wolfgang Ketterle. Dieser Zustand von Materie gilt als die entscheidende Voraussetzung, um in der Zukunft Quantencomputer zu entwickeln (Vgl. Ein Chip spricht die Sprache der Atome).
Das Team um Markus Greiner ging von einem solchen atomaren BEC aus und es gelang ihnen, einen neuen Materiezustand in der Atomphysik zu erreichen. Mithilfe eines dreidimensionalen Lichtkristalls überführten sie ein superfluides Bose-Einstein-Kondensat in einen so genannten Mott-Isolator-Zustand und wieder zurück. Im Bose-Einstein-Kondensat befindet sich die Materie im Zustand von Wellen, im Mott-Isolator-Zustand in einem Teilchengitter. Letzterer Zustand wurde zuerst von dem Physiker Sir Neville Mott 1974 vorausgesagt. Mott wurde u.a. dafür 1977 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Der verwendete Lichtkristall besteht aus laser-pinzetten-artigen winzigen Lichtfallen. Durch eine Änderung der Lichtstärke dieses Gitters werden die Eigenschaften des Kondensats dramatisch verändert und so ein Übergang von der superfluiden Phase des Bose-Einstein-Kondensats in die Mott-Isolator-Phase geschaffen. Bei geringer Lichtstärke des Gitters, in dem die Atome gefangen sind, befinden sich alle Atome in der superfluiden Phase. Wird die Lichtstärke erhöht, dann wird der Zustand der Materie isoliert, d.h. jeder Gitterplatz wird mit einer exakt definierten Anzahl von Atomen besetzt. Die Bewegung der Atome wird blockiert. Der Forschergruppe um Greiner ist es gelungen, die Phasenübergänge vom superfluiden zur Mott-Isolator-Phase in beide Richtungen durchzuführen.
Dieser Übergang wird als Quantenphasenübergang bezeichnet, denn er findet nur am absoluten Temperaturnullpunkt statt. Der Übergang zwischen den Phasen wird dann allein durch die von der Heisenbergschen Unschärferelation vorausgesagten Quantenfluktuation ermöglicht, denn alle thermischen Fluktuationen, die normalerweise einen Phasenübergang bewirken, sind dann bereits "ausgefroren". Ein Teammitglied, der Quantenpysiker Immanuel Bloch fasst zusammen, was an dem neuen Zustand ultrakalter Materie bahnbrechend ist:
Mit diesem Experiment gehen wir einen deutlichen Schritt über ein Bose-Einstein-Kondensat hinaus. Im Mott-Isolator-Zustand lassen sich Atome nicht mehr mit den bisher erfolgreichen Theorien für Bose-Einstein-Kondensate beschreiben, sondern müssen aufgrund ihrer Wechselwirkungen miteinander mithilfe neuer Theorien beschrieben werden, die bisher weit weniger gut verstanden sind.
Der von Greiner und Kollegen entdeckte Mott-Isolator am absoluten Temperaturnullpunkt erlaubt in idealer Weise, fundamentale Fragen der Festkörperphysik, der Quantenoptik sowie der Atomphysik zu untersuchen und eröffnet neue Perspektiven für Quantencomputer. Henk T. C. Stoof von der Utrecht University in den Niederlanden stellt die neuen Erkenntnisse in seinem begleitenden News&Views-Artikel in Nature in den gesamtwissenschaftlichen Zusammenhang und stellt fest:
Das Experiment von Greiner und Kollegen stellt aus mehreren Gründen einen Meilenstein in der Geschichte der Gase im Bose-Einstein-Kondensat dar. (...) Jedes Rubidium-Atom hat ein magnetisches Moment und es hat zwei innere Zustände, die als 0 und 1 eines Quantenbits dienen könnten. Weil es eine große Anzahl von Rubidium-Atomen in dem optischen Gitter gibt, könnten sie als Speicher eines Quantencomputers agieren. Wenn es zwei solcher Speicher gibt, die in Relation zueinander versetzt werden können, wäre es darüber hinaus möglich, sich die Interaktion zwischen den Atomen zu nutzen zu machen, um Quanten-Computing durch zu führen. Der erste Schritt zu diesem aufregenden Ziel wurde gerade gemacht.
- Ich lasse das Leben oder bringe den Tod (6.1.2002 0:39)
- hmmmm irgendwie alt (5.1.2002 19:40)
- Link MPG (4.1.2002 14:45)
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