Higgs-Anregungen am absoluten Temperaturnullpunkt

  • 26. July 2012

Erster Nachweis bei Übergängen zwischen verschiedenen Materiezuständen ultrakalter Atome.

Die in der Natur plötzlich auftretende Brechung einer Symmetrie spielt eine fundamentale Rolle in der Physik, insbesondere für die Beschreibung von Phasenübergängen, bei denen sich der Gesamtzustand eines Systems ändert. Ein Beispiel dafür ist die spontane Ausrichtung der atomaren Magnete in einem Ferromagneten, der unter die Curie-Temperatur abgekühlt wird. In einer solchen „globalen Ordnung“ kann ein System zu kollektiven Schwingungen angeregt werden, bei denen sich die einzelnen Teilchen koordiniert zusammen bewegen. Folgt diese kollektive Bewegung den Gesetzen der Relativitätstheorie, dann kann ein besonderer Schwingungszustand entstehen, eine Higgs-Anregung. Es ist genau so eine Anregung, die eine Schlüsselrolle im Standardmodell der Elementarteilchenphysik spielt. Aber auch in festkörperähnlichen Systemen können Higgs-Anregungen entstehen, wenn die kollektive Bewegung der Teilchen einem Gesetz folgt, das der Relativitätstheorie ähnelt.

Bei einer Higgs-Anregung in einem zweidimensionalen System: lässt sich die Dynamik der Higgs-Anregung (roter Bogen) als Schwingung in einem Potential beschreiben, das die Form eines mexikanischen Sombreros hat

Abb.: Bei einer Higgs-Anregung in einem zweidimensionalen System: lässt sich die Dynamik der Higgs-Anregung (roter Bogen) als Schwingung in einem Potential beschreiben, das die Form eines Sombreros hat. (Bild: MPQ)

Der experimentelle Nachweis kann sich allerdings auch hier als schwierig erweisen, da Higgs-Anregungen in Festkörpern – wie auch in der Elementarteilchenphysik – meist nach kurzer Zeit zerfallen. Als besonders kurzlebig erweisen sich Higgs-Anregungen in extrem flachen, sogenannten niedrigdimensionalen Systemen, und es war bisher umstritten, ob sie in diesen Systemen überhaupt beobachtbar sind. Ein Physikerteam aus der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme von Prof. Immanuel Bloch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik konnte jetzt in enger Zusammenarbeit mit Theoretikern der Harvard University und des California Institute of Technology Higgs-Anregungen in einem zweidimensionalen Vielteilchensystem nachweisen, das sich in der Nähe eines Phasenübergangs befindet und dort relativistisch beschreiben lässt. „Das spannende an unserem Ergebnis ist, dass wir Phänomene, die sonst nur bei höchsten Energien auftreten, auch in der Nähe des Temperaturnullpunkts wiederfinden“, verrät Immanuel Bloch.

Das Experiment beginnt damit, Rubidiumatome auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts abzukühlen. Die ultrakalten Atome werden dann in ein zweidimensionales optisches Gitter geladen, eine schachbrettartige Anordnung heller und dunkler Gebiete, die durch die Kreuzung stehender Laserwellen erzeugt wird. Mit Hilfe dieses periodischen Lichtfeldes lassen sich verschiedene Quantenphasen realisieren.

In optischen Gittern sehr hoher Intensität (d.h. sehr starkem Hell-Dunkel-Kontrast) bildet sich ein hoch geordneter Zustand aus, ein Mott-Isolator, bei dem sich auf jedem Gitterplatz genau ein Atom befindet und dort fixiert ist. Wird die Gitterintensität immer weiter erniedrigt, so wird schließlich ein Phasenübergang zu einem suprafluiden Zustand überschritten. In diesem Zustand sind alle Atome Teil eines einzigen Feldes, das sich über das ganze Gitter ausdehnt und die kollektive Bewegung des Systems als eine einzige große quantenmechanische Welle beschreibt. Das Besondere ist hier: Die Dynamik dieses Quantenfeldes gehorcht den Gesetzen einer effektiven Relativitätstheorie, bei der die Lichtgeschwindigkeit durch die Schallgeschwindigkeit ersetzt ist. Wird nun das Quantenfeld gezielt in seinem Gleichgewichtszustand gestört, können sich kollektive Schwingungszustände in Form von Higgs-Moden bilden.

Optischer Tisch am MPQ, mit diesem Laser kühlen die Forscher die Atome

Abb.: Optischer Tisch am MPQ, mit diesem Laser kühlen die Forscher die Atome. Die zahlreichen optischen und elektro-optischen Elemente dienen der genauen Kontrolle der Strahlparameter. (Bild: LMU/MPQ)

Die Frage ist nun: kann sich diese Art der kollektiven Anregung auch in einem zweidimensionalen System entwickeln, und wenn ja, wie lässt sie sich nachweisen? Die Wissenschaftler stellen dazu die Systemparameter so ein, dass sich das Quantengas sehr dicht am Übergang vom Suprafluid zum Mott-Isolator befindet. Anschließend wird die Gitterintensität einige Millisekunden lang vorsichtig moduliert. Diese Modulation führt zur Erzeugung von wenigen Higgs-Anregungen, ohne das System zu sehr aus dem Gleichgewicht zu bringen. „Wir halten das ‚Schütteln‛ bewusst sehr gering, um unerwünschte Nebeneffekte zu vermeiden. Nur so ist es möglich, das Signal der Higgs-Anregungen heraus zu filtern“, meint Manuel Endres. „Mit einer besonders empfindlichen Methode, die wir in unserer Gruppe entwickelt haben, können wir die Temperatur des Quantensystems extrem genau, bis auf ein milliardstel Kelvin messen. Bei bestimmten Modulationsfrequenzen konnten wir eine kleine ‚Spitze‛ im Temperaturverlauf feststellen.“

Diese Ergebnisse deuten die Physiker so: Stimmt die Frequenz, die die Gitterintensität moduliert, mit der Frequenz einer Higgs-Mode überein, kommt es zu einer resonanten Schwingungsanregung, es bilden sich also verstärkt Higgs-Anregungen und übertragen Energie in das System. Damit erhöht sich auch die Temperatur des Quantengases. Den Messdaten nach erniedrigt sich die Schwingungsfrequenz stark, wenn sich das System der Mott-Phase nähert. Dies ist ein sicheres Anzeichen für eine kollektive Higgs-Anregung. „Wir sprechen hierbei von einer ‚Aufweichung‛ der Mode, die typisch für den kollektiven Charakter der Anregung in der Nähe des Phasenübergangs ist“, führt Manuel Endres aus.

Unter Theoretikern war es bislang umstritten, ob eine Higgs-Anregung in einem solchen niedrigdimensionalen System überhaupt existiert und wenn ja, in welcher Form. „In anderen Worten: Wir haben ein Phänomen beobachtet, für das eine exakte Berechnung zur Zeit nicht möglich ist. Das macht unsere Messung umso wichtiger“, so Endres.

MPQ / OD

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