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Dienstag, 25.07.2017
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„Paradoxe Affäre" in der Quantenwelt

Bindung von sich abstoßenden Atomen erstmals experimentell nachgewiesen

Sie stoßen sich ab und sind gerade deshalb unzertrennlich. Diesen scheinbar paradoxen Zustand gibt es in der Welt der Quanten. Dabei bilden zwei Atome ein durch Abstoßung gebundenes, so genanntes repulsives Paar. Österreichische Experimentalphysiker haben emeinsam mit Theoretikern diesen Bindungszustand jetzt erstmals nachgewiesen. Die Zeitschrift Nature berichtet darüber in ihrer aktuellen Ausgabe.
Typische Impulsverteilung der Atome eines repulsiven Paars

Typische Impulsverteilung der Atome eines repulsiven Paars

Im freien Raum ist sie nicht möglich: Die enge Verbindung von zwei Teilchen, die sich abstoßen. Denn die Abstoßungskräfte katapultieren beiden Teilchen auseinander, sobald sie sich zu nahe kommen. Doch in einem optischen Gitter sieht dies anders aus: Die kinetische Energie der Atomer ist hier auf bestimmte Bereiche, die so genannten „Bloch Bänder“ beschränkt. Dadurch ist die Umwandlung der Abstoßungsenergie in kinetische Energie nicht möglich – die Atome müssen, wohl oder übel zusammen bleiben. Und nicht nur das, ihre Bindung wird sogar noch stärker durch der bverhinderte Abstoßung.

Im Gitter gefangen


Zwei Atome an einem Platz des optischen Gitters

Zwei Atome an einem Platz des optischen Gitters

Dieser ungewöhnliche Zustand der Materie war bisher nur aus Modellrechnungen bekannt, experimentell nachgewiesen hatte ihn noch niemand. Doch genau das gelang jetzt einem Team von theoretischen und experimentellen Pohysiker der Universität Innsbruck um Professor Dr. Johannes Hecker Denschlag. Erstmals konnten sie in einem Experiment die widerspenstigen Atompaare beobachten. Sie benutzen dazu ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-Atomen, um das sie langsam ein dreidimensionales, optisches Gitter aus Laserstrahlen legen.

Überall dort, wo zwei Atome an einem Gitterplatz zu liegen kommen, bildet sich ein repulsiv gebundenes Paar. Obwohl sich die Atome abstoßen, können sie den Gitterplatz nicht verlassen, weil sie sich gegenseitig dabei behindern. "So bildet sich ein stark korreliertes System, das sehr einem Molekül gleicht", erklärt Hecker Denschlag, "nur die Bindungsenergie hat das 'falsche' Vorzeichen." Selbst wenn die Paare mit anderen Atomen kollidieren, lösen sie ihre unheimliche Ver-bindung nicht auf.


Simulationen für den Quantencomputer


Für die Grundlagenforschung ist das gelungene Experiment von großer Bedeutung, ist es doch der Ausgangspunkt für ein sehr fruchtbares, künftiges Wechselspiel zwischen Theorie und Praxis. "Das von uns zugrunde gelegte Bose-Hubbard-Modell wird zum Beispiel auch für Berechnungen zum Quantencomputer verwendet", erläutert Dr. Andrew Daley. "Das Experiment kann nun für die Simulation dieses sehr abstrakten Modells verwendet und so auch in der Entwicklung eines zukünftigen Quantencomputers eingesetzt werden."

Den Physikern steht damit eine Spielwiese für quantenmechanische Prozesse zur Verfügung, die in der normalen Alltagswelt nicht beobachtet werden können. "In der zukünftigen Forschung mit optischen Gittern und kalten Atomen werden wir immer wieder auf repulsiv gebundene Atome stoßen", betont Prof. Hecker Denschlag. "Es ist sogar vorstellbar, dass drei oder noch mehr Atome an einem Gitterplatz zusammenfinden und diesen seltsam gebundenen Zustand eingehen."

Erfolgreiche Kooperation


Die Aufdeckung dieser verhängnisvollen Zweisamkeit gelang in enger Kooperation zwischen der Arbeitsgruppe um Prof. Hecker Denschlag und Prof. Rudolf Grimm vom Institut für Experimentalphysik der Universi-tät Innsbruck und dem Team um die Theoretischen Physiker Prof. Peter Zoller, Dr. Andrew Daley und Dr. Hans-Peter Büchler vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Unterstützt wurden die Wissenschaftler bei diesem Projekt vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der Europäischen Union und der Tiroler Zukunftsstiftung.
(Universität Innsbruck, 16.06.2006 - NPO)
 
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