Repulsives Polaron dargestellt als blaues Kaliumatom in der Mitte, das die sich umgebenden gelben Lithiumatome abstößt.

Abstoßendes Quasiteilchen im Quantengas erzeugt

Innsbruck (Österreich) – Mit elektromagnetischen Feldern lassen sich Wechselwirkungen zwischen Atomen manipulieren – so kann man sie dazu bringen, dass sie einander anziehen oder abstoßen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern hat nun eine Methode entwickelt, aus Lithium- und Kaliumatomen ein abstoßendes Quasiteilchen herzustellen, das bisher nur theoretisch vorhergesagt werden konnte. Quasiteilchen sind ein Modell aus der Quantenmechanik, das verwendet wird, um Festkörper oder andere quantenmechanische Vielteilchensysteme zu beschreiben. Mit ihrem Versuchsaufbau wollen die Forscher nun weitere Theorien zu diesen Systemen überprüfen.

Ähnlich wie normale Teilchen besitzen Quasiteilchen die Eigenschaften Masse, Impuls oder Spin, beschreiben jedoch ein erweitertes System, das sich aus dem Teilchen und seiner Wechselwirkung mit der Umgebung zusammensetzt. Um das Quasiteilchen zu erzeugen, stellten die Wissenschaftler um Rudolf Grimm vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Universität Innsbruck ein ultrakaltes Quantengas aus Lithium- und Kaliumatomen in einer Vakuumkammer her. Dort erzeugten sie durch Magnetfelder sogenannte Feshbach-Resonanzen, mit denen sie die anziehende und abstoßende Wechselwirkung zwischen den Atomen kontrollierten. Mittels Radiofrequenzpulsen versetzten sie die Kaliumatome dann in einen Zustand, den sie repulsives Polaron nennen: Die Kaliumatome stoßen dabei die umgebenden Lithiumatome ab, gemeinsam verhalten sich die Atome in diesem Zustand wie ein neues Teilchen und bilden damit das Quasiteilchen. Durch eine Analyse des Energiespektrums der Teilchen konnten die Forscher erstmals das repulsive Polaron nachweisen. Die entsprechenden anziehenden Polaronen konnten sie ebenfalls erzeugen. Im Gegensatz zu den abstoßenden Quasiteilchen sind diese aber schon ausführlich untersucht worden.

Grimm und seine Kollegen wollen nun weiter experimentieren und der Theorie nachgehen, ob sich in einem Quantengasgemisch aus sich abstoßenden Teilchen einzelne Bereiche ausbilden, in denen sich nur Lithiumatome oder nur Kaliumatome befinden. Denn obwohl das Polaron nur in einem metastabilen Zustand des Quantengases existieren kann, haben die Forscher eine überraschend lange Lebensdauer der Quasiteilchen festgestellt. So konnten sie im Vergleich zu früheren Experimenten in ähnlichen Systemen eine um das Zehnfache gesteigerte Lebensdauer der Polaronen messen.