Chaos mit kalten Quanten

  • 13. March 2014

Innsbrucker Forscher weisen chaotisches Verhalten in neutralem Erbium-Quantengas nach.

Ein Team um die Start- und ERC-Preisträgerin Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck hat erstmals den experimentellen Nachweis für chaotisches Verhalten von Teilchen in ultrakalten Quantengasen erbracht. Dazu kühlten die Physiker Erbium-Atome auf wenige hundert Nanokelvin ab und brachten sie dann in eine Laserfalle ein. Nach einer kurzen Haltezeit wurden die in der Falle verbliebenen Atome gemessen. Wenn ein äußeres Magnetfeld spezielle Werte annimmt, können sich in der Falle zwei Atome zu einem schwach gebundenen Molekül verbinden, einer Fano-Feshbach-Resonanz. Die Gruppe konnte nahezu zweihundert solcher Resonanzen bestimmen. „Wir waren fasziniert davon, wie viele solcher Resonanzen wir fanden. Das ist ohne Beispiel in der Physik ultrakalter Quantengase“, berichtet Teammitglied Albert Frisch.

Francesca Ferlaino

Abb.: Quantenphysikerin Francesca Ferlaino im Labor (Bild: U. Ibk.)

Um die hohe Dichte an Fano-Feshbach-Resonanzen erklären zu können, griffen die Physiker zu statistischen Methoden. Mithilfe der auf Eugene Wigner zurückgehenden Theorie der Zufallsmatrizen ließen sich komplexe Kopplungen zwischen unterschiedlichen Molekülniveaus nachweisen. Dies bestätigten Computersimulationen der Forschungsgruppe um Svetlana Kotochigova von der Temple University in Philadelphia. „Die besonderen Eigenschaften von Erbium führen zu einem sehr komplexen Bindungsverhalten zwischen den Teilchen, das als chaotisch beschrieben werden kann“, erklärt Ferlaino. Erbium ist vergleichsweise schwer und besitzt ausgeprägte magnetische Eigenschaften, wodurch die Wechselwirkung der Atome stark richtungsabhängig wird. „Die Elektronenhüllen dieser Atome gleichen keinen Kugelschalen, sondern sind stark verformt“, erklärt Frisch. „Die Art der Wechselwirkung zweier Erbiumatome unterscheidet sich dadurch maßgeblich von bisher untersuchten Quantengasen.“

Zwar liegt hier ein System vor, das aufgrund seiner Komplexität ein nicht vorhersagbares Verhalten zeigt, dennoch sind Aussagen über die Entwicklung größerer Ensembles möglich. Dank des neuen Modellsystems Erbium-Quantengas lassen sich die theoretischen Vorhersagen nun mit großer Präzision mit Messwerten vergleichen. „Uns steht damit ein sehr gut kontrollierbares Experiment zur Verfügung, um chaotische Prozesse genauer zu studieren“, berichtet Ferlaino. Das Ergebnis schlägt zudem eine Brücke zur Untersuchung von ultrakalten Gasen aus Molekülen und damit zur ultrakalten Chemie.

U. Innsbruck / MD

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