Eine neuartige Quantenflüssigkeit

  • 10. November 2016

Ultrakalte magnetische Atome bilden stabile Tropfen.

Über ein tropfenbildendes Quantenferrofluid aus magnetischen Atomen in einer Atom­falle hatten Forscher der Uni Stutt­gart bereits Anfang des Jahres berichtet. Doch offenbar kann diese unge­wöhn­liche Flüssig­keit selbst außer­halb von Atom­fallen stabile Tröpf­chen bilden. Tilman Pfau und seine Kollegen haben selbst­stabili­sierende Atom­tropfen aus magne­tischen Dysprosium­atomen herge­stellt. Deren magne­tisches Dipol­moment ist fast zehnmal so groß wie das Bohrsche Magneton und damit eines der stärk­sten im Perioden­system der Elemente. Dadurch üben die Atome auch in einer Atom­wolke von geringer Dichte starke magne­tische Dipol­kräfte aufein­ander aus.

Ablauf des Experiments

Abb.: Der Ablauf des Experiments: (a) der Tropfen wird in einer optischen Falle herge­stellt, der Magnet­felder über­lagert sind; (b) nachdem die optische Falle abge­schaltet wurde, schwebt der Tropfen im inhomo­genen Magnet­feld; (c) der Tropfen wird optisch mit einer spezi­ellen CCD-Kamera abge­bildet. (M. Schmitt et al. / NPG)

Diese magnetischen Kräfte können die Atome zu räumlichen Struk­turen anordnen, wie man sie von klas­sischen Ferro­fluiden her kennt. So hatten die Forscher die quanten­mecha­nische Entspre­chung des Rosen­sweig-Effekts beob­achtet, bei dem ein klas­sisches Ferro­fluid in einem Magnet­feld igel­förmige Struk­turen bildet, weil es sich bevor­zugt in Bereichen hoher Feld­stärke sammelt und dort das Feld weiter ver­stärkt.

Beim quantenmechanischen Rosensweig-Effekt zerfällt ein pfann­kuchen­förmiges Bose-Einstein-Konden­sat aus Dy-164-Atomen, das in einer optischen Falle festge­halten und einem starken Magnet­feld ausge­setzt wird, in regel­mäßig ange­ordnete Tröpf­chen. Diese Struk­turen über­dauern etwa drei­hundert Milli­sekunden, bis so viele Atome aus der Falle ent­wichen sind, dass die zurück­geblie­benen nicht mehr für eine merk­liche Verstär­kung des Feldes ausreichen.

Hier stellt sich die Frage, ob die magnetische Anziehungskraft zwischen den Dy-Atomen dafür aus­reicht, dass sich eine größere Zahl von Atomen zu einem stabilen Tropfen zusammen­schließen kann. Der Tropfen würde dann von seinem eigenen Magnet­feld zusam­men­ge­halten, sodass er auch ohne die stabili­sierende Wirkung einer Atom­falle aus­käme. Solche Tropfen haben Pfau und seine Mitar­beiter jetzt herge­stellt.

Dazu haben sie ein Bose-Einstein-Kondensat aus etwa 6000 Dy-164-Atomen mit einer Tempe­ratur von zwanzig Nano­kelvin produ­ziert. Das Konden­sat befand sich in einer optischen Falle und war einem inhomo­genen Magnet­feld ausge­setzt, das die Atome im Schwere­feld schweben ließ. Damit sich stabile Tropfen bilden können, müssen den lang­reich­weitigen magne­tischen Kräften zwischen den Atomen kurz­reich­weitige Absto­ßungs­kräfte die Waage halten.

Experiment

Abb.: Ein großer Tropfen (links) lebte deut­lich länger als ein kleiner (rechts), bis er durch ste­ti­gen Ver­lust von Atomen die kri­tische Größe er­reichte. Dann flog er ab­rupt aus­ein­ander. (M. Schmitt et al. / NPG)

Für die nötigen Abstoßungskräfte sorgte ein äußeres Magnet­feld, das die Atome in einen Zustand nahe einer Fesh­bach-Reso­nanz brachte. Wie die Kräfte zwischen den Atomen die Form der Atom­wolke ver­ändern, machten die Forscher durch ein optisches Ver­fahren sicht­bar, das die doppel­brechende Wirkung der Atome auf einen linear polari­sierten Licht­strahl aus­nutzt. Bei der Abbil­dung gehen die Atome ver­loren, sodass das Experi­ment viel­fach wieder­holt werden musste.

Unter dem Einfluss des äußeren Magnetfeldes wandelte sich das Konden­sat in einen etwa sechs­hundert Nano­meter großen Tropfen um, der von einer Atom­wolke um­geben war, die wiede­rum von der optischen Falle zusam­men­ge­halten wurde. Wurde die optische Falle abge­schaltet, so dehnte sich die Atom­wolke schnell aus und ihre Atome konnten schließ­lich ent­weichen, während der Tropfen zunächst erhalten blieb.

Hatte das äußere Magnetfeld den richtigen Wert, so konnte der sich selbst stabili­sierende Tropfen bis zu neunzig Milli­sekunden lang über­dauern. Wie lange er tatsäch­lich erhalten blieb, hing von der anfäng­lichen Zahl seiner Atome ab. Je geringer sie war, desto kleiner war die Lebens­dauer. Das lag daran, dass der Tropfen fort­während Atome verlor, bis er eine kritische Größe erreicht hatte, unter­halb der er sich nicht mehr selbst zusammen­halten konnte und ausein­ander flog. Diese Größe war vom äußeren Magnet­feld abhängig und betrug sechs­hundert bis sieben­hundert Atome.

Die Forscher fanden zudem heraus, dass in den selbststabili­sierenden Tropfen das Gleich­gewicht zwischen den anzie­henden und absto­ßenden Kräften eigent­lich instabil sein müsste, sodass die Tropfen hätten kolla­bieren und anschlie­ßend explo­dieren müssen. Doch quanten­mecha­nische Schwan­kungen der zwischen den Atomen wirkenden van-der-Waals-Kräfte und Dipol­kräfte führten zu einer Stabili­sierung. Damit lassen sich an den Tropfen Quanten­effekte studieren, die mit den üblichen Nähe­rungen für Viel­teil­chen­systeme nicht erfasst werden können.

Rainer Scharf

RK

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer