Physiker ordnen Atome in unmittelbarer Nähe an und ebnen so den Weg für die Erforschung exotischer Materiezustände

Nähe ist für viele Quantenphänomene von entscheidender Bedeutung, da die Wechselwirkungen zwischen Atomen stärker sind, wenn die Teilchen nahe beieinander sind. In vielen Quantensimulatoren ordnen Wissenschaftler Atome so nah wie möglich aneinander an, um exotische Materiezustände zu erforschen und neue Quantenmaterialien zu bauen.

Dies erreichen sie typischerweise, indem sie die Atome bis zum Stillstand abkühlen und dann mithilfe von Laserlicht die Partikel in einem Abstand von bis zu 500 Nanometern voneinander positionieren – eine Grenze, die durch die Wellenlänge des Lichts vorgegeben wird. Jetzt haben MIT-Physiker eine Technik entwickelt, die es ihnen ermöglicht, Atome viel näher beieinander anzuordnen, bis hin zu nur 50 Nanometern. Zum Vergleich: Ein rotes Blutkörperchen ist etwa 1.000 Nanometer breit.

Demonstriert haben die Physiker den neuen Ansatz in Experimenten mit Dysprosium, dem magnetischsten Atom der Natur. Mit dem neuen Ansatz manipulierten sie zwei Schichten aus Dysprosiumatomen und positionierten die Schichten genau 50 Nanometer voneinander entfernt. Bei dieser extremen Nähe waren die magnetischen Wechselwirkungen 1.000-mal stärker, als wenn die Schichten 500 Nanometer voneinander entfernt wären.

Ein Papier, das diese Arbeit beschreibt, ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

Die Wissenschaftler konnten zwei neue Effekte messen, die durch die Nähe der Atome verursacht werden. Ihre verstärkten magnetischen Kräfte verursachten eine „Thermalisierung“, also die Übertragung von Wärme von einer Schicht auf eine andere, sowie synchronisierte Schwingungen zwischen den Schichten. Diese Effekte ließen nach, je weiter die Schichten voneinander entfernt waren.

„Wir sind von der Positionierung von Atomen in einem Abstand von 500 Nanometern zu einem Abstand von 50 Nanometern übergegangen, und damit kann man viel anfangen“, sagt Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur-Professor für Physik am MIT. „Bei 50 Nanometern ist das Verhalten der Atome so sehr anders, dass wir hier wirklich in ein neues Regime eintreten.“

Ketterle und seine Kollegen sagen, dass der neue Ansatz auf viele andere Atome angewendet werden kann, um Quantenphänomene zu untersuchen. Die Gruppe ihrerseits plant, mit dieser Technik Atome in Konfigurationen zu manipulieren, die das erste rein magnetische Quantengatter erzeugen könnten – einen Schlüsselbaustein für einen neuen Typ von Quantencomputern.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören der Hauptautor und Physikstudent Li Du sowie Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond und Yu-Kun Lu – alle Mitglieder des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, der Abteilung für Physik, und das Forschungslabor für Elektronik am MIT.

Höhen und Tiefen

Um Atome zu manipulieren und anzuordnen, kühlen Physiker typischerweise zunächst eine Atomwolke auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab und sperren die Atome dann mithilfe eines Systems von Laserstrahlen in eine optische Falle.

Laserlicht ist eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge (dem Abstand zwischen Maxima des elektrischen Feldes) und Frequenz. Die Wellenlänge begrenzt das kleinste Muster, in das Licht geformt werden kann, auf typischerweise 500 Nanometer, die sogenannte optische Auflösungsgrenze. Da Atome von Laserlicht bestimmter Frequenzen angezogen werden, werden Atome an den Punkten der höchsten Laserintensität positioniert. Aus diesem Grund waren die vorhandenen Techniken in der Nähe von Atomteilchen begrenzt und konnten nicht zur Erforschung von Phänomenen eingesetzt werden, die in viel kürzeren Entfernungen auftreten.

„Konventionelle Techniken enden bei 500 Nanometern und sind nicht durch die Atome, sondern durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt“, erklärt Ketterle. „Wir haben jetzt einen neuen Trick mit Licht gefunden, mit dem wir diese Grenze durchbrechen können.“

Der neue Ansatz des Teams beginnt, wie auch aktuelle Techniken, mit der Abkühlung einer Atomwolke – in diesem Fall auf etwa 1 Mikrokelvin, also knapp über dem absoluten Nullpunkt –, woraufhin die Atome nahezu zum Stillstand kommen. Mithilfe von Lasern können Physiker die gefrorenen Teilchen dann in die gewünschte Konfiguration bringen.

Dann arbeiteten Du und seine Mitarbeiter mit zwei Laserstrahlen, jeder mit einer anderen Frequenz oder Farbe; und zirkulare Polarisation oder Richtung des elektrischen Feldes des Lasers. Wenn die beiden Strahlen durch eine unterkühlte Atomwolke wandern, können die Atome ihren Spin in entgegengesetzte Richtungen ausrichten und dabei der Polarisation der beiden Laser folgen. Das Ergebnis ist, dass die Strahlen zwei Gruppen derselben Atome erzeugen, nur mit entgegengesetzten Spins.

Jeder Laserstrahl erzeugte eine stehende Welle, ein periodisches Muster elektrischer Feldstärke mit einer räumlichen Periode von 500 Nanometern. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarisation zog jede stehende Welle je nach Spin eine von zwei Gruppen von Atomen an und korallierte sie. Die Laser könnten so überlagert und abgestimmt werden, dass der Abstand zwischen ihren jeweiligen Spitzen nur 50 Nanometer beträgt, was bedeutet, dass die Atome, die zu den Spitzen der jeweiligen Laser gravitieren, durch die gleichen 50 Nanometer voneinander getrennt wären.

Dafür müssten die Laser jedoch äußerst stabil und immun gegen alle äußeren Geräusche sein, etwa durch Erschütterungen oder sogar das Atmen während des Experiments. Das Team erkannte, dass sie beide Laser stabilisieren konnten, indem sie sie durch eine optische Faser lenkten, die dazu diente, die Lichtstrahlen relativ zueinander zu fixieren.

„Die Idee, beide Strahlen durch die Glasfaser zu schicken, bedeutete, dass die gesamte Maschine heftig wackeln konnte, aber die beiden Laserstrahlen blieben absolut stabil zueinander“, sagt Du.

Magnetische Kräfte im Nahbereich

Als ersten Test ihrer neuen Technik verwendete das Team Atome von Dysprosium – einem Seltenerdmetall, das eines der stärksten magnetischen Elemente im Periodensystem ist, insbesondere bei ultrakalten Temperaturen. Auf der Skala von Atomen sind die magnetischen Wechselwirkungen des Elements jedoch bereits bei Abständen von 500 Nanometern relativ schwach.

Wie bei gewöhnlichen Kühlschrankmagneten nimmt die magnetische Anziehungskraft zwischen Atomen mit der Nähe zu, und die Wissenschaftler vermuteten, dass sie die Entstehung ansonsten schwacher Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Atomen beobachten könnten, wenn ihre neue Technik Dysprosiumatome in einem Abstand von nur 50 Nanometern anordnen könnte.

„Wir könnten plötzlich magnetische Wechselwirkungen haben, die früher fast vernachlässigbar waren, jetzt aber sehr stark sind“, sagt Ketterle.

Das Team wandte seine Technik auf Dysprosium an, indem es zunächst die Atome unterkühlte und dann zwei Laser durchstrahlte, um die Atome in zwei Spingruppen oder Schichten aufzuspalten. Anschließend richteten sie die Laser durch eine optische Faser, um sie zu stabilisieren, und stellten fest, dass die beiden Schichten aus Dysprosiumatomen tatsächlich zu ihren jeweiligen Laserspitzen gravitierten, was die Atomschichten tatsächlich um 50 Nanometer trennte – den geringsten Abstand, den jedes ultrakalte Atom hatte Experiment konnte erreichen.

Bei dieser extremen Nähe wurden die natürlichen magnetischen Wechselwirkungen der Atome erheblich verstärkt und waren 1.000-mal stärker, als wenn sie 500 Nanometer voneinander entfernt wären. Das Team beobachtete, dass diese Wechselwirkungen zu zwei neuartigen Quantenphänomenen führten: kollektive Schwingungen, bei denen die Schwingungen einer Schicht die andere Schicht synchron zum Schwingen brachten; und Thermalisierung, bei der eine Schicht Wärme ausschließlich durch magnetische Fluktuationen in den Atomen auf die andere überträgt.

„Bisher konnte Wärme zwischen Atomen nur dann ausgetauscht werden, wenn sie sich im selben physischen Raum befanden und kollidieren konnten“, bemerkt Du. „Jetzt haben wir Atomschichten gesehen, die durch Vakuum getrennt sind und über schwankende Magnetfelder Wärme austauschen.“

Die Ergebnisse des Teams führen zu einer neuen Technik, mit der viele Atomarten in unmittelbarer Nähe positioniert werden können. Sie zeigen auch, dass Atome, die nahe genug beieinander platziert sind, interessante Quantenphänomene zeigen können, die zum Bau neuer Quantenmaterialien und möglicherweise magnetisch angetriebener Atomsysteme für Quantencomputer genutzt werden könnten.

„Wir bringen wirklich hochauflösende Methoden auf das Feld und sie werden zu einem allgemeinen Werkzeug für die Durchführung von Quantensimulationen“, sagt Ketterle. „Es sind viele Varianten möglich, an denen wir arbeiten.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.