24/10/2011 - Forscher des Max-Planck-Instituts haben Bilder von Quantenfluktuationen in der Nähe der absoluten Temperatur Null erhalten.

Menéame

Es gibt physische Systeme, die in gewisser Weise ständig schwanken. So bewegen sich zum Beispiel die Moleküle eines Gases irrtümlich, die magnetischen Dipole eines Materials auch. Im Allgemeinen sind diese Schwankungen mit der Temperatur verbunden. Bei größerer Temperatur wird es mehr Aufregung geben. Wenn wir die Temperatur eines Systems senken, werden diese Fluktuationen abnehmen. In einem klassischen System würde man erwarten, daß diese Schwankungen verschwinden würden, wenn man die absolute Null der Temperatur erreicht. Aber die mikroskopische Realität ist Quantenrealität, nicht Klassiker. Es gibt Quantenfluktuationen, die nicht auf der absoluten Null verschwinden.

Bis jetzt ist nur die Temperatur dagegen, dass die Festplatte von 1 auf 0 oder umgekehrt wechselt, aber die Bits werden immer kleiner und es wird ein Tag kommen, an dem Quantenschwankungen wichtig sind. Obwohl wir das System sehr erfrischen und die Wärmeschwankungen verschwinden lassen, könnten die so gespeicherten Informationen unter Quantenschwankungen einfach verschwinden.

Quantenfluktuationen sind daher keine einfache Neugier und haben Auswirkungen auf viele Systeme. In diesem Fall werden wir sehen, welche Rolle sie bei einer Art Quantenphase-Übergänge spielen.

Forscher des Max-Planck-Instituts, die von Stefan Kuhr geleitet werden, haben nun ein Bild von Quantenfluktuationen in der Nähe der absoluten Nulltemperatur (ca. 273 Grad Celsius unter Null) erhalten.

Offensichtlich kann so etwas nicht mit einem konventionellen Mikroskop beobachtet werden, da Atome oder Moleküle viel kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Aber dank einer Reihe von Tricks können diese Forscher ihre Lage kennen und ein Bild des Systems wieder aufbauen.

Auch kein konventionelles Material wurde verwendet, sondern ultrakalte blonde Atome, die in einem optischen Netz gefangen sind, das eine Art "eindimensionales Gaskristall" bildet.

Sie konnten Bilder von Korrelationen zwischen hohl-teiligen Paaren dieses ultrakalten Gases erhalten, was es ihnen ermöglichte, die verborgene Ordnung dieses Systems zu untersuchen und die verschiedenen Phasen dieses Quantengases zu charakterisieren. Diese Maßnahmen eröffnen neue Wege bei der Typisierung neuer Quantenphasen der Materie.

Die ultrakalten Atome des Rubidiums werden einem Lichtstrahl ausgesetzt, der speziell darauf ausgelegt ist, diese Atome zu beschränken und sie nach einem bestimmten Muster oder einer bestimmten Formation zu fangen, die aus hellen und dunklen Lichtregionen besteht. Sagen wir, das Licht schafft einen "Kästchen" für Atome mit ausgespitzten Zellen.

Die Atome bewegen sich das Lichtnetz ähnlich wie Elektronen im Kristallnetz eines Festkörpers. Je nachdem, wie sie sich bewegen können, stellen Elektronen die elektrischen Eigenschaften des Feststoffes wie seine Leitfähigkeit zur Verfügung. Der Vorteil eines extrem kalten Atomsystems wie das beschriebene ist, dass es manipuliert wird und wir sogar eine bestimmte Anzahl von räumlichen Dimensionen verwenden können.

Eindimensionale Quantengase können sich bei niedriger Temperatur als überflüssig oder als "isolierend" verhalten.

In diesem speziellen Fall spielt die Höhe des Potenzials eine wichtige Rolle, nämlich zu bestimmen, ob ein Atom an einem bestimmten Ort im Netz befestigt ist oder ob es zur Seite bewegt werden kann. In großen Tiefen des Netzes (wir sprechen in diesem Fall von Potenzialen nicht von Entfernungen), ist jede Stelle von genau einem Atom besetzt. Dieses hochgeordnete System wird zu Ehren des Nobelpreises Neville Mott als Mott-Isolier bezeichnet. Wenn diese Tiefe des Potentials leicht abnimmt, können Atome, die genügend Energie haben, durch den Quantentunnel-Effekt zur Seite bewegt werden. Auf diese Weise werden Paare von Hohlräumen (leere Netzseiten von Atomen) und doppelt besetzten Stellen gebildet. Dies bildet hohl-teilige Paare. Interessant ist, dass diese Wirkung, da es sich um ein Quantensystem handelt, durch Quantenschwankungen auf Nulltemperatur gebracht werden kann, wenn nach der klassischen Physik jede Bewegung gestoppt werden sollte. Die Position der korrelierten hohl-teiligen Paare im Glas ist völlig unbestimmt und wird nur unter dem Messprozess eingestellt.

In jüngsten Experimenten hatten diese Forscher bereits die Methode entwickelt, die es ihnen ermöglichte, die Position jedes Atoms im Lichtnetz zu visualisieren. Die Atome werden dank Laserstrahlen gekühlt, und die Fluoreszenzfotos, die sie im Prozess ausstrahlen, werden durch ein hochauflösendes Mikroskop zur Lokalisierung verwendet.

Die Hohlräume werden mit dieser Technik als dunkle Orte und auch als doppelt besetzt dargestellt, da die beiden Teilchen in dieser Lage sich gegenseitig stören und sich gegenseitig aus dem Netz werfen. Mit dieser Technik erscheinen die homo-teiligen Paare also als zwei dunkle Punkte nebeneinander.

Manuel Endres, einer der am Projekt beteiligten Studenten, ist begeistert von dem Experiment und sagt, dass man mit dieser Technik dieses grundlegende Quantenphänomen zum ersten Mal direkt beobachten kann.

Diese Physiker messen die Anzahl der hohl-teiligen Paare durch eine Korrelationsfunktion. Wenn die kinetische Energie erhöht wird, leiden immer mehr Teilchen an Tunneleffekt in einer benachbarten Zelle und diese Korrelationsfunktion erhöht sich. Wenn jedoch die Anzahl der hohl-teiligen Paare sehr groß ist, beginnt es schwierig, sie eindeutig zu identifizieren und die Korrelationsfunktion nimmt kleine Werte an. Schließlich verschwindet Motts geordneter Isolationszustand vollständig und das Quantengas wird zu einem überflüssigen Gas. Hier werden die Schwankungen von Hohlräumen und Partikeln unabhängig gegeben. Die im Experiment gemessene Korrelationsfunktion wird durch die Berechnungen im Modell sehr gut wiedergegeben.

Interessanterweise zeigte die gleiche Forschung an zweidimensionalen Quantengasen deutlich, dass Quantenfluktuationen nicht so wichtig waren wie in eindimensionalen Systemen.

Die Forscher verbreiteten die Analyse auch zu den Korrelationen auf mehrere Aufstellungsorte entlang einer Reihe. Diese nicht-lokalen Korrelationen enthalten wichtige Informationen über das System vieler zugrundeliegender Körper und können als Parameter für die Beschreibung der verschiedenen Quantenphasen des Systems verwendet werden. Das Konzept des Ordnungsparameters ist für die Untersuchung von Phasenübergängen von grundlegender Bedeutung. In dem beschriebenen Experiment wurden die nicht-lokalen Ordnungsparameter zum ersten Mal gemessen.

In Zukunft plant diese Gruppe, diese Maßnahmen zu nutzen, um topologische Quantenphasen zu erkennen. Diese können für den Bau von robusten Quantencomputern nützlich sein und helfen, die Temperatur bei hoher Temperatur zu verstehen.

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