Forschung

Mikroskop für 3D-Quantensysteme

26.11.2021 - Neue Technik für die Quantengasmikroskopie entwickelt.

In der Quanten­simulation studieren Forschende ein kontrol­liertes Quanten­system im Labor, um die Physik eines anderen, weniger kontrol­lierten Systems zu verstehen. Beispiels­weise verwendet man ultrakalte Atome, die in Stehwellen aus Laserlicht gefangen sind, um die Physik der Elektronen im Festkörper nachzubilden und neue Einsichten in deren Quanten­phasen zu gewinnen. Neben der kontrollierten Präpa­ration des Systems ist dabei auch die Abbildung entscheidend. So erlauben Quantengas­mikroskope die Detektion sämtlicher Teilchen des Quantensystems und damit Zugang zu beliebigen Korrelations­funktionen zur Charak­terisierung des Zustands. Diese Techno­logie basiert auf der optischen Auflösung der Gitterplätze mit einem Abstand von typischer­weise einem halben Mikrometer und war daher bislang durch die Tiefen­schärfe auf zwei­dimensionale Systeme beschränkt. 

In der neuen Methode der Forscher um Christof Weiten­berg und Klaus Sengstock vom Hamburger Exzellenz­cluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ wird dies nun überwunden und die Auflösung auch von drei­dimensionalen Systemen möglich. Dazu verwenden die Wissenschaftler Materie­wellen-Optik, also eine Vergrößerung der Dichte­verteilung der ultrakalten Atome selbst um einen Faktor von bis zu neunzig. Die optische Abbildung der Atome nach dieser Vergrößerung ist dann einfach möglich ohne Limitierung von Beugung oder Tiefenschärfe. Die Materie­wellen-Optik basiert auf einer Linse in Form einer harmonischen Falle, die für eine Viertel-Periode angeschaltet wird, und einer anschließenden freien Expansion der Atome. Beide Prozesse führen zu einer Trans­formation zwischen Ortsraum und Impulsraum und in Kombination zu der ver­größernden Abbildung.

Die Forscher nutzen die neue Technik, um Bose-Einstein Kondensate aus ultra­kalten Rubidium Atomen in einem optischen Gittern zu studieren. So gelingt ihnen eine besonders genaue Vermessung des Phasen­übergangs in das Bose-Einstein Kondensat. Als nächstes wollen sie die neue Mikroskopie-Technik weiter­entwickeln. So sollte es möglich sein, in einem Regime von wenigen Atomen pro Gitterplatz sämtliche Atome einzeln nachzuweisen. Darüber hinaus lassen sich durch Modi­fikation der Materie­wellen-Optik neben der Dichte auch die Kohärenz­eigenschaften des Systems räumlich aufgelöst vermessen. Luca Asteria, der die Technik mit seinen Kollegen entwickelt hat, erklärt: „Mit dieser Mikro­skopie-Technik können wir völlig neue Regime erforschen, die vorher nicht zugänglich waren.“

U. Hamburg / JOL

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