Überblick

Bosonen mit komplexer Ordnung

Mit kalten bosonischen Gasen in optischen Gittern auf der Spur unverstandener ­Festkörperphänomene.

  • Georg Wirth und Andreas Hemmerich
  • 01 / 2013 Seite: 27

Kalte Atomgase und periodische Lichtpotentiale sind die Zutaten von neuartigen künstlichen „Festkörpern”, in denen sich der quantenstatistische Charakter der verwendeten Teilchen (Boson oder Fermion), die Geometrie des Gitters oder die Wechselwirkung auf einfache Weise variieren lassen. Diese optischen Gitter bieten sich daher auf den ersten Blick als idealer „Quantenlegokasten“ an zur Erstellung idealisierter gut kontrollierter Modelle für komplexe unverstandene Festkörperphänomene. Nach einer Überlegung von Richard Feynman sollte dies jedoch für Gitter mit bosonischen Atomen nur sehr eingeschränkt gelten. Neue experimentelle Techniken haben es jetzt ermöglicht, diese Einschränkung zu überwinden und komplexe Vielteilchen-Wellenfunktionen zu realisieren, wie sie zum Beispiel in unkonventionellen Supraleitern auftreten.

Seit einigen Jahren beschäftigen sich Physiker mit einem neuartigen Typ künstlicher Materie, der nur unter extremen Laborbedingungen existieren kann: den so genannten optischen Gittern. Dabei handelt es sich um atomare Gase nahe am absoluten Temperaturnullpunkt, die in periodischen Lichtpotentialen gespeichert sind. Atomsorte, Gittergeometrie, Quantenstatistik, interatomare Wechselwirkung, nahezu alles lässt sich in optischen Gittern scheinbar beliebig kombinieren und mit einzigartiger Präzision kontrollieren. Es scheint, als sei der ultimative Quantenlegokasten der Festkörperphysik gefunden, mit dem sich die notorisch unverstandenen quantenmechanischen Vielkörperszenarien echter Festkörper kontrolliert und auf das Wesentliche reduziert nachstellen (emulieren) lassen. Zur Emulation von Modellszenarien der Superfluidität, die uns hier besonders interessieren, bieten sich optische Gitter aus superfluiden Bose-Einstein-Kondensaten an. Diesem Ansatz sind allerdings enge Grenzen gesetzt, die sich erst seit kurzem dank neuer Methoden überwinden lassen. Damit ist es möglich geworden, auch unkonventionelle Formen von Superfluidität zu simulieren, wie sie zum Beispiel in den nach wie vor rätselhaften Hochtemperatur-Supraleitern vermutet werden.

Superfluidität und Supraleitung gehören zu den faszinierendsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Die Gesetze der Quantenmechanik treten hier aus der Welt der atomaren Dimensionen heraus und zeigen sich uns in Labordimensionen. Pyotr Kapitza, John F. Allen und Don Misener entdeckten 1938 das Phänomen der Superfluidität. Sie beobachteten in 4He nur wenige Grad unterhalb des Siedepunkts einen Phasenübergang, an dem die Flüssigkeit plötzlich jegliche innere Reibung verliert. Die nicht-verschwindende Oberflächenspannung der Superflüssig­keit sorgt dabei für einen kuriosen Effekt, mit dem Tieftemperatur-Physiker weltweit kämpfen: Super­fluides 4He dringt aufgrund der Kapillarwirkung selbst durch kleinste Lecks und „kriecht“ auf Oberflächen über die Ränder von Behältern hinweg. Fritz London vermutete noch im selben Jahr, dass sich dieses Verhalten mit der Bose-Einstein-Kondensation erklären lässt. Diese Vorstellung war zunächst umstritten, da die starke interatomare Wechselwirkung mit der Näherung eines idealen Gases nicht vereinbar schien. Erst 1956 räumten Oliver Penrose und Lars Onsager die verbliebenen Zweifel durch eine theoretische Arbeit aus. Eine besonders elementare Form superfluider Materie wurde erst 1995 im Labor realisiert: Bose-Einstein-Kondensate aus verdünnten atomaren Gasen. Bereits 2001 wurde dieser Durchbruch mit dem Nobelpreis gewürdigt. ...

Share |
thumbnail image: Bosonen mit komplexer Ordnung

Aktuelles Heft

Inhaltsverzeichnis
10 / 2017

thumbnail image: PJ 10 2017

Anomalien von Wasser

Ursprung des Lebens

Fraunhofer-Linien

Phänomenta

Zugang Physik Journal

Nur DPG-Mitglieder haben vollen Zugriff auf alle Hefte und Online-Inhalte des Physik Journal und müssen sich dafür mit ihrer Mitgliedsnummer registrieren » 

Erst wenn die Artikel des Physik Journal älter als drei Jahre sind, stehen sie kostenlos und frei zugänglich zur Verfügung

Als DPG-Mitglied erhalten Sie den Physik Journal Newsletter, wenn Sie sich dafür bei der DPG registrieren »

Mediadaten

Die Mediadaten für Werbe­mög­lich­kei­ten im Phy­sik Jour­nal finden Sie als PDFs hier:
2017 deutsch / eng­lisch
2018 deutsch / englisch

Webinar

Warum reale akustische Systeme nur multiphysikalisch simuliert werden können

  • 02. November 2017

In diesem Webi­nar wird ge­zeigt, warum man bei­spiels­weise schon bei der Simu­la­tion eines „ein­fachen“ Laut­spre­chers auf multi­phy­si­ka­li­sche Kopp­lung an­ge­wie­sen sein kann, wenn man ex­pe­ri­men­tel­le Er­geb­nis­se kor­rekt re­pro­du­zie­ren will.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer