Forschung

Phasenübergang mit nur sechs Atomen

14.12.2020 - Ausgehend von einzelnen, ultrakalten Atomen lässt sich die Entstehung eines Phasenübergangs beobachten.

Um effektive Theorien in der Physik formulieren zu können, vernachlässigt man mikroskopische Details zugunsten einer Beschreibung makroskopisch beobachtbarer Größen. Ein Phasen­übergang beschreibt den Wechsel eines makroskopischen Systems von einem Zustand der Materie in einen anderen. Diese Eigenschaften der makroskopischen Viel­teichen­systeme können als emergent bezeichnet werden: Sie ergeben sich erst aus dem Zusammen­wirken der Einzel­teile, die selbst diese Eigenschaften nicht aufweisen.
 

„Seit langem beschäftigt mich die Frage, wie diese dramatische makroskopische Veränderung bei einem Phasen­übergang aus der mikroskopischen Beschreibung entsteht“, sagt Selim Jochim vom Physikalischen Institut der Universität Heidelberg. Zur Beantwortung dieser Frage entwarfen die Forscher ein Experiment, bei dem sie ein System aus einzelnen, ultrakalten Atomen zusammen­gesetzt haben. Mithilfe dieses Quanten­simulators untersuchten sie, wie kollektives Verhalten in einem mikroskopischen System entsteht. 

Zu diesem Zweck wurden bis zu zwölf Atome in einem stark fokussierten Laser­strahl eingefangen. In diesem künstlichen System ist es möglich, die Stärke der Wechselwirkung zwischen den Atomen kontinuierlich über einen so großen Bereich zu verstellen, dass sie entweder komplett zu vernachlässigen oder die größte Energieskala im System ist. „Die Anzahl der Teilchen ist einerseits klein genug für eine mikroskopische Beschreibung des Systems. Andererseits zeigen sich hier schon kollektive Effekte“, erläutert Luca Bayha, Postdoktorand im Team von Jochim.

Die Heidelberger Physiker haben in ihrem Experiment den Quanten­simulator so konfiguriert, dass sich die Atome gegenseitig anziehen und bei starker Anziehung Paare bilden. Diese Atom-Paare sind der notwendige Bestandteil für einen Phasen­übergang zu einer Supraflüssigkeit – ein Zustand, bei dem Teilchen ohne Reibung strömen. Die Frage, wann es zu dieser Paarbildung in Abhängigkeit von der Stärke der Wechsel­wirkung sowie der Anzahl der Teilchen kommt, stand im Mittelpunkt der Untersuchungen. „Das überraschende Ergebnis unseres Experimentes ist, dass sich bereits mit sechs Atomen alle Anzeichen des Phasen­übergangs beobachten lassen, die für ein Vielteilchen-System erwartet werden“, so Marvin Holten, Doktorand in der Gruppe von Selim Jochim.

Profitiert haben die Forscher bei ihren Arbeiten vom Exzellenzcluster „Structures – A Unifying Approach to Emergent Phenomena in the Physical World, Mathematics, and Complex Data“ und dem Sonder­forschungs­bereich „ Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen (Isoquant)“ der Universität Heidelberg. Entscheidend für das Gelingen der Experimente war die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von den Universitäten in Lund (Schweden) und Aarhus (Dänemark). 

U. Heidelberg / DE
 

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