Anziehende Störstelle

  • 06. June 2016

Eine einzige atomare Störstelle kann eine unbe­grenzte Zahl Bosonen an sich binden.

Niemand ist vollkommen, doch manchmal ist es gerade der Fehler, auf den es ankommt. So ändern sich die Eigen­schaften von Halb­leitern drastisch bei geringsten Änderungen der Dotierungs­konzen­trationen. Und während der perfekte Diamant völlig klar ist, lassen ihn atomare Verun­reinigungen hellblau, rosa oder lila schimmern, wodurch sich sein Wert unter Umständen noch erhöht. All diese Effekte beruhen auf Prozessen, die durch das Wechsel­spiel der Stör­stelle mit dem Quanten-Viel­teilchen­system, in das es einge­bettet ist, ausgelöst werden. Ein Forscher­team am MPI für Quanten­optik hat jetzt den allge­meineren Fall unter­sucht, bei dem ein Stör­stellen­atom an ein periodisch struk­tu­riertes Bad von Bosonen koppelt und fand dabei heraus, wie schon ein einziges Atom eine Wolke aus vielen Bosonen an sich binden kann. Gebundene Zustände von Bosonen sind von besonderem Interesse, weil sie zu starken Wechsel­wirkungen mit großer Reich­weite führen und so neue Bereiche für Quanten­simu­la­tionen erschließen.

Störstelle

Abb.: Anschauliche Darstellung des Einfang­prozesses: Eine atomare Stör­stelle mit zwei Energie­niveaus befindet sich an einer bestimmten Stelle in einer perio­dischen Struktur. Weil die atomare Anregungs­frequenz in die Energie­lücke des Materials passt, werden die Licht­quanten, die nach der Anregung vom Atom ausge­sandt werden, inner­halb der Struktur gefangen. (Bild: MPQ)

Eine Reihe von Modellen in der Quantenoptik und der Physik der konden­sierten Materie beziehen sich im Kern auf die Wechsel­wirkung von Spin-Störungen mit Ansamm­lungen von Bosonen, die zu einer Viel­falt von Phänomenen führt. Für den Fall von Atomen, die an photo­nische Kristalle gekoppelt sind, sagen die Modelle vorher, dass ein einzelnes Atom ein einzelnes Photon loka­lisiert an sich binden kann, wenn die atomare Anregungs­frequenz inner­halb der photo­nischen Band­lücke des Materials liegt. Vor dem Hinter­grund der jüngsten Fort­schritte in der technischen Verbindung atomarer Systeme mit photo­nischen Kristall­strukturen erfahren solche gebundenen Atom-Photon-Zustände großes Interesse, vor allem in Bezug auf Quanten­simulationen, da sie erwartungs­gemäß starke und weit­reichende Wechsel­wirkungen zwischen den Atomen vermitteln.

Tao Shi, Ying-Hai Wu und Alejandro González-Tudela aus der Abteilung Theorie von Ignacio Cirac unter­suchten das allgemeine Problem einer einzelnen Spin-Störung, die an ein Bad von Bosonen koppelt. Dabei zeigen sie, dass ein einzelnes Atom tatsäch­lich nicht nur ein einzelnes Boson, sondern sogar unbe­grenzt viele Bosonen räumlich an sich binden kann. Verein­facht ausge­drückt erzeugt die Kopplung der Stör­stelle an das boso­nische Bad ein effektives Potential, das die Bosonen gewisser­maßen einsperrt. Das gilt vor allem, wenn sich das Atom in einem photo­nischen Kristall befindet, wo es eine Wolke von vielen Photonen an sich binden kann. Darüber hinaus liefern die Forscher einen Ansatz, mit dem sie das Verhalten der gebundenen Zustände im gesamten Para­meter­raum beschreiben können. Dabei decken sie die Existenz vieler verschiedener Bereiche auf, in denen die physika­lischen Eigen­schaften, wie etwa die Energie oder die Größe der gebundenen Zustände, unter­schiedlich skalieren.

Da das Modell sehr allgemein ist, können diese gebundenen Zustände möglicher­weise mit unter­schiedlichen experi­men­tellen Platt­formen präpariert und beob­achtet werden, ange­fangen bei Atomen, die an photo­nische Kristalle gekoppelt sind, über Schalt­kreis-Quanten­elektro­dynamik bis zu kalten Atomen in zustands­ab­hängigen optischen Gittern. Die Existenz dieser gebundenen boso­nischen Zustände erweitert die Möglich­keiten dieser Platt­formen, neue exotische Viel­teilchen-Phänomene zu simulieren.

MPQ / RK

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