Tür in die Welt der Quasiteilchen geöffnet

  • 09. July 2014

Erstmals Ausbreitung quantenmechanischer Verschränkung in einem Vielteilchensystem beobachtet.

Quasiteilchen sind zwar nicht „echt“, dennoch lassen sich mit ihnen physikalische Phänomene in Festkörpern sehr gut erklären. Nun haben Innsbrucker Physiker sie in einem Quantensystem erzeugt und dabei eine neue experimentelle Plattform etabliert, um Quantenphänomene zu studieren. In einer Kette aus gefangenen, ultrakalten Ionen können sie Quasiteilchen erzeugen und deren Eigenschaften sehr exakt kontrollieren und vermessen.

Im Labor nutzen die Physiker zwischen sieben und fünfzehn Kalziumionen, die in einer Vakuumkammer gefangen und wie an einer Schnur aufgefädelt sind. Mit Hilfe von Lasern lassen sich die Quantenzustände der einzelnen Ionen präparieren.

Abb.: Im Labor nutzen die Physiker zwischen sieben und fünfzehn Kalziumionen, die in einer Vakuumkammer gefangen und wie an einer Schnur aufgefädelt sind. Mit Hilfe von Lasern lassen sich die Quantenzustände der einzelnen Ionen präparieren. (Bild: Iqoqi)

„Jedes Teilchen verhält sich wie ein kleiner Quanten­magnet, die sich dann auch gegenseitig beeinflussen“, erklärt Petar Jurcevic. „Wenn wir eines der Teilchen gezielt anregen, werden die anderen Teilchen dadurch beeinflusst. Das kollektive Verhalten beschreiben wir als Quasi­teilchen.“ Diese bewegen sich vom Ort der Anregung in beiden Richtungen entlang der Ionenkette. Dabei entstehen Korrelationen zwischen den Teilchen. Die Ausbreitung von Anregungen wurde in den vergangenen Jahren bereits in Experimenten mit neutralen Atomen erforscht. Dabei konnte auch die Entstehung von Korrela­tionen zwischen den Teilchen gezeigt werden. „Wir haben nun erstmals nachgewiesen, dass es sich hierbei um Quanten­korrela­tionen handelt“, ergänzt Chrisitan Roos. „Durch die Messung dieser Korrela­tionen können wir die Quanten­verschränkung der Teilchen quantifizieren.“ So konnten die Physiker erstmals zeigen, wie sich die Verschränkung der Teilchen in einem Quanten­system ausbreitet.

Im Gegensatz zu den bisherigen Experimenten ist es den Innsbruckern erstmals auch möglich, die Reichweite der wechsel­seitigen Beeinflussung der Teilchen genau einzustellen: vom nächsten Nachbarn bis ins Unendliche. So können sie immer neue, andere Quasi­teilchen in dem System entstehen lassen. „Auf diese Weise können wir die Quasi­teilchen fast nach Belieben manipulieren“, ist der an der Arbeit beteiligte Theoretiker Philipp Hauke begeistert. „Wir haben Jahrzehnte lang gebraucht, bis wir einzelne Quantenteilchen genau kontrollieren und manipulieren konnten. Nun steht uns auch eine Plattform zur Verfügung, mit der wir Quasi­teilchen in ähnlicher Weise untersuchen und damit physikalische Phänomene erforschen können, die bisher experimentell nicht zugänglich waren.“ So lässt sich damit zum Beispiel untersuchen, wie ein Quantensystem sein thermisches Gleichgewicht erreicht, ein Prozess, der bis heute noch nicht verstanden ist.

„Ein großes Ziel ist es auch, Quasiteilchen für die Quanten­informations­verarbeitung zu nutzen“, sagt Hauke. Aber auch die Rolle der Quanten­physik in Transport­prozessen, wie sie ähnlich auch in der Biologie auftreten, könnte auf dieser Plattform studiert werden. Konkret arbeiten die Physiker um Roos nun an der Idee, erstmals die Wechsel­wirkung von zwei Quasi­teilchen eingehender zu studieren.

U. Ibk. / OD

Share |

Newsletter

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

Strahlmessung

thumbnail image: Messen Sie <i>M</i><sup>2</sup> in weniger als einer Minute

Messen Sie M2 in weniger als einer Minute

Das M2-Lasermessgerät Ophir BeamSquared 2.0 ermittelt die optische Güte des Laserstrahls schnell und präzise. Mehr

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer