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

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