Zahlreiche Publikationen im Kontext mit Bose-Einstein-Kondensaten >>>>>>>>>>>>>>>>>

Superatome und „Bose Nova“

Gleich mehrere bedeutende Forschungsarbeiten im Bereich der Quantengase konnte die Arbeitsgruppe von Prof. Tilman Pfau am 5. Physikalischen Institut der Uni in den vergangenen Monaten publizieren. In den international renommierten Physical Review Letters berichteten die Stuttgarter Wissenschaftler mehrfach über die Untersuchung von hochangeregten Rydberg-Atomen in einem Bose-Einstein-Kondensat. Und im Februar erschien in Nature Physics ein Beitrag über die Vermessung der Grenze zwischen stabilen und instabilen Zuständen eines Quantengases aus Magneten.*)

Rydberg-Atome, benannt nach dem Schwedischen Physiker Johannes Rydberg, sind mehrere tausend Mal größer als normale Atome. Die Stuttgarter Physiker stellten fest, dass sich Rydberg-Atome durch starke gegenseitige Wechselwirkungen zu einem so genannten „Superatom“ zusammentun. Ein solches Superatom umfasst bis zu 10.000 Atome, welche gemeinsam eine einzige Rydberg-Anregung teilen. In einem weiteren Experiment zeigten die Wissenschaftler, dass trotz der starken Wechselwirkungen die Anregung kohärent erfolgt, was für die Anwendung in Quanten-Computerkonzepten unverzichtbar ist. Das locker gebundene Elektron von Rydberg-Atomen reagiert besonders empfindlich auf elektrische Felder und andere Rydberg-Atome in der Nähe. So können sich Rydberg-Atome über Distanzen von etwa fünf Mikrometern hinweg fühlen. Das entspricht dem 50-fachen ihrer eigenen Größe und ist halb so groß wie ein rotes Blutkörperchen. Für Atome sind das gigantische Entfernungen. Außerdem kann in dem gut geschützten Kernspin von Rydberg-Atomen Quanten-Information gespeichert werden, weswegen die „Superatome“ auch als mögliche Systeme gehandelt werden, um einen Quanten-Computer zu realisieren. Mit Rydberg-Atomen in einem Bose-Einstein-Kondensat hat man darüber hinaus ein Modell-System zur Verfügung, um Fragen der Vielteilchen-Physik, neuartige Moleküle sowie Störstellen in einem Quantengas zu untersuchen. Es wird erwartet, dass sich solche Störstellen völlig reibungsfrei in dem Gas bewegen können.

Gefangene Rubidium-Atome (leuchtend rot in der Bildmitte) werden durch einen blauen Laserstrahl in den Rydberg-Zustand angeregt.		Auf dem Weg zur Bose Nova: Chromatome werden durch blaue Laserstrahlen auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. (Fotos: Institut)

Pfannkuchenform stabilisiert Quantengas aus Magneten
Nicht weniger spektakulär sind die Ergebnisse des zweiten Projektes, bei dem es um die Stabilisierung eines Quantengases aus Magneten geht. Instabilitäten von sich anziehender Materie sind in der Astrophysik seit langem bekannt und führen zu Ereignissen wie einer Supernova. Auch ein Gas aus lauter kleinen atomaren Magneten ist nicht stabil. Es implodiert durch die anziehende Wechselwirkung zwischen den Magneten. Das hat jeder schon einmal erfahren, der mit einer Ansammlung von Magneten gespielt hat: sie klumpen einfach zusammen. Das gilt auch, wenn die Magneten durch ein äußeres Magnetfeld polarisiert werden. Stabil werden sie erst, wenn sie gleichzeitig in einer flachen Scheibe – Wissenschaftler sprechen von einer Pfannkuchenform – gefangen gehalten werden. Eine Kugel- oder Zigarrenform ist dagegen instabil. Dann hilft nur noch eine zusätzliche abstoßende Wechselwirkung, um das kollapsartige Zusammenklumpen zu verhindern.

Die von der Arbeitsgruppe von Prof. Pfau untersuchten Quantengase aus Magneten bestehen aus ultrakalten Chromatomen, die nach einem Phasenübergang als Bose-Einstein Kondensat vorliegen. In dieser besonderen Form von Quantenmaterie können sowohl die Wechselwirkungen zwischen den Magneten als auch die einfangende Form kontrolliert eingestellt werden. Theoretische Vorhersagen zu den Grenzen zwischen stabilen und instabilen Bereichen hatte Pfau zusammen mit einer polnischen Arbeitsgruppe schon vor fast zehn Jahren publiziert. Nun ist endlich der experimentelle Nachweis gelungen, dass sich das Quantengas tatsächlich wie vorhergesagt verhält und eine Pfannkuchenform das Gas stabilisiert. Momentan studiert die Gruppe, wie der Kollaps vonstatten geht. Da die Implosion Ähnlichkeit mit einer Supernova hat, wird sie auch als „Bose Nova“ bezeichnet. Dabei werden durch die magnetische Wechselwirkung in bestimmten Parameterbereichen neue Zustände der Quantenmaterie erwartet. Ein gesteuerter Kollaps könnte aber auch genutzt werden, um Chromatome haargenau auf einer Oberfläche abzusetzen. uk

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