Quantenteilchen im Gitter gefangen und fotografiert

Wissenschaftlern machen einzelne Atome in einem hochgeordneten Quantengas sichtbar

Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Garching - Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching konnten zum ersten Mal beobachten, welche Plätze Atome in einem optischen Gitter einnehmen, wenn sich die Eigenschaften des Gitters verändern. Ihre Erkenntnisse könnten neue Möglichkeiten für die Festkörperphysik und zukünftige Quantencomputer eröffnen.

Stefan Kuhr und sein Team kühlten eine Wolke aus Rubidiumatomen fast auf den absoluten Nullpunkt ab, sodass die Wärmebewegung der Teilchen beinahe zum Erliegen kam. Bei solchen Temperaturen entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat, in dem sich die Atome im gleichen Quantenzustand befinden. Dann erzeugten die Forscher mit Hilfe von Lasern ein optisches Gitter aus kreuzweise stehenden Lichtwellen. Die Atome ordneten sich in den helleren Bereichen des Gitters - also gewissermaßen in den Vertiefungen - an, die energetisch günstiger sind als die dunkleren.

Um die einzelnen Atome sehen zu können, bestrahlten Kuhr und seine Kollegen das Gas mit einem Laser und fingen die dabei ausgesandten Fluoreszenzphotonen ein. Durch ein spezielles Mikroskop ließen sich so die Atome auf ihren Gitterplätzen ausmachen. Solange das Gitter relativ flach blieb, konnten die Teilchen im Quantenzustand ohne Probleme auf einen Nachbarplatz gelangen. Hoben die Forscher jedoch die Gitterhöhe an, indem sie die Lichtintensität verstärken, blieben die Atome auf ihrer Position. Ein solch fixiertes Atomgitter nennen Physiker einen Mott-Isolator.

"Erstmals konnten wir in einem hochgradig korrelierten System einzelne Atome sichtbar machen", erklärt Stefan Kuhn. "Nun müssen wir noch zeigen, dass wir die Atome wirklich individuell manipulieren können." Wenn jeder Platz des Gitters von einem Atom besetzt ist, könnten die Teilchen theoretisch als Bits eines Quantencomputers - sogenannte Qubits - Informationen speichern. Eine andere Idee ist, sie als Quantensimulatoren in der Festkörperphysik einzusetzen: Mit Hilfe des Mott-Isolators könnten Wissenschaftler Quantenzustände imitieren, die in der Natur schwer zu beobachten sind, wie zum Beispiel das Verhalten von Elektronen beim Magnetismus oder der Supraleitung.