Erste Bilder von Atominteraktionen im freien Raum durch MIT

CAMBRIDGE / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Wissenschaftler des MIT haben einen bedeutenden Durchbruch in der Quantenphysik erzielt, indem sie erstmals Bilder von Atomen aufgenommen haben, die frei im Raum interagieren. Diese Bilder bieten einen faszinierenden Einblick in die subtilen Quantenkorrelationen, die bisher nur theoretisch vorhergesagt wurden.

Die Physiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen bedeutenden Meilenstein erreicht, indem sie die ersten direkten Bilder von Atomen aufgenommen haben, die frei im Raum interagieren. Diese Aufnahmen zeigen die feinen Quantenkorrelationen zwischen diesen “freilaufenden” Teilchen, die bisher nur in der Theorie existierten. Die Ergebnisse, veröffentlicht in den Physical Review Letters, bieten eine neue Möglichkeit, schwer fassbare Quantenphänomene im realen Raum zu beobachten.

Um diese Bilder zu erstellen, entwickelten die Forscher eine Methode, die es einem Atomwolke ermöglicht, sich natürlich zu bewegen und zu interagieren. Anschließend wird ein Lichtgitter eingeschaltet, das die Atome kurzzeitig an Ort und Stelle einfriert. Mit fein abgestimmten Lasern werden die Atome beleuchtet, während sie in der Schwebe sind, und ihre genauen Positionen werden festgehalten, bevor sich die Wolke auflöst.

Diese Technik ermöglichte es dem Team, Wolken verschiedener Atomarten zu fotografieren und mehrere Imaging-Premieren zu erreichen. Sie erfassten Bilder von “Bosonen”, die sich in einem quantenmechanischen Phänomen zu einer Welle zusammenballten. Sie beobachteten auch “Fermionen”, die sich im freien Raum paarten, ein Schlüsselprozess, der mit der Supraleitung verbunden ist.

“Wir können einzelne Atome in diesen interessanten Atomwolken sehen und was sie in Bezug aufeinander tun, was wunderschön ist”, sagt Martin Zwierlein, der Thomas A. Frank Professor für Physik am MIT. In derselben Ausgabe der Zeitschrift berichteten zwei weitere Forschungsteams über ähnliche Durchbrüche mit verwandten Techniken.

Ein Team unter der Leitung des Nobelpreisträgers Wolfgang Ketterle, dem John D. MacArthur Professor für Physik am MIT, bildete verstärkte Paar-Korrelationen unter Bosonen ab. Das andere Team, das an der École Normale Supérieure in Paris unter der Leitung von Tarik Yefsah arbeitet, visualisierte eine Wolke nicht interagierender Fermionen.

Die Studie von Zwierlein und seinen Kollegen wurde von MIT-Doktoranden Ruixiao Yao, Sungjae Chi und Mingxuan Wang sowie dem MIT-Assistenzprofessor für Physik Richard Fletcher mitverfasst. Ein einzelnes Atom hat einen Durchmesser von etwa einem Zehntel Nanometer, was einem Millionstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Im Gegensatz zu Haaren verhalten sich Atome und interagieren gemäß den Regeln der Quantenmechanik; es ist ihre Quantennatur, die Atome schwer verständlich macht.

Wissenschaftler können verschiedene Methoden anwenden, um einzelne Atome abzubilden, einschließlich der Absorptionsabbildung, bei der Laserlicht auf die Atomwolke scheint und ihren Schatten auf einen Kamerabildschirm wirft. Diese Techniken ermöglichen es, die Gesamtform und Struktur einer Atomwolke zu sehen, aber nicht die einzelnen Atome selbst.

Er und seine Kollegen verfolgten einen ganz anderen Ansatz, um Atome direkt im freien Raum zu beobachten. Ihre Technik, genannt “atom-resolved microscopy”, umfasst zunächst das Einfangen einer Atomwolke in einer lockeren Falle, die durch einen Laserstrahl gebildet wird. Diese Falle hält die Atome an einem Ort, an dem sie frei interagieren können. Die Forscher schalten dann ein Lichtgitter ein, das die Atome in ihren Positionen einfriert. Dann beleuchtet ein zweiter Laser die schwebenden Atome, deren Fluoreszenz ihre individuellen Positionen offenbart.

“Der schwierigste Teil war, das Licht von den Atomen zu sammeln, ohne sie aus dem optischen Gitter zu kochen”, sagt Zwierlein. “Man kann sich vorstellen, wenn man diesen Atomen einen Flammenwerfer aussetzen würde, würden sie das nicht mögen. Also haben wir im Laufe der Jahre einige Tricks gelernt, wie man das macht. Und es ist das erste Mal, dass wir es in situ tun, wo wir die Bewegung der Atome plötzlich einfrieren können, wenn sie stark interagieren, und sie nacheinander sehen können. Das macht diese Technik mächtiger als das, was zuvor gemacht wurde.”

Das Team wendete die Bildgebungstechnik an, um direkt Interaktionen zwischen Bosonen und Fermionen zu beobachten. Photonen sind ein Beispiel für ein Boson, während Elektronen eine Art Fermion sind. Atome können Bosonen oder Fermionen sein, abhängig von ihrem Gesamtdrehimpuls, der durch die Gesamtzahl ihrer Protonen, Neutronen und Elektronen bestimmt wird. Im Allgemeinen ziehen sich Bosonen an, während Fermionen sich abstoßen.

Zwierlein und seine Kollegen bildeten zunächst eine Wolke von Bosonen ab, die aus Natriumatomen bestand. Bei niedrigen Temperaturen bildet eine Wolke von Bosonen das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat – einen Materiezustand, in dem alle Bosonen denselben Quantenzustand teilen. Ketterle war einer der ersten, der ein Bose-Einstein-Kondensat aus Natriumatomen herstellte, wofür er 2001 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Zwierleins Gruppe ist nun in der Lage, die einzelnen Natriumatome innerhalb der Wolke abzubilden, um ihre Quanteninteraktionen zu beobachten. Es wurde lange vorhergesagt, dass Bosonen sich “zusammenballen” sollten, mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, nahe beieinander zu sein. Dieses Zusammenballen ist eine direkte Folge ihrer Fähigkeit, eine und dieselbe quantenmechanische Welle zu teilen.

In ihren Bildgebungsexperimenten konnte das MIT-Team erstmals in situ beobachten, wie Bosonen sich zusammenballen, während sie eine quantenkorrelierte de Broglie-Welle teilen. Das Team bildete auch eine Wolke von zwei Arten von Lithiumatomen ab. Jede Art von Atom ist ein Fermion, das seine eigene Art natürlich abstößt, aber stark mit anderen bestimmten Fermiontypen interagieren kann. Während sie die Wolke abbildeten, beobachteten die Forscher, dass sich tatsächlich die entgegengesetzten Fermiontypen paarten und Fermionpaare bildeten – eine Kopplung, die sie erstmals direkt sehen konnten.

“Diese Art von Paarung ist die Grundlage einer mathematischen Konstruktion, die Menschen entwickelt haben, um Experimente zu erklären. Aber wenn man solche Bilder sieht, zeigt es in einem Foto ein Objekt, das in der mathematischen Welt entdeckt wurde”, sagt Studienmitautor Richard Fletcher. “Es ist eine sehr schöne Erinnerung daran, dass Physik über physikalische Dinge geht. Es ist real.”

In Zukunft wird das Team seine Bildgebungstechnik anwenden, um exotischere und weniger verstandene Phänomene zu visualisieren, wie die “Quanten-Hall-Physik” – Situationen, in denen interagierende Elektronen neuartige korrelierte Verhaltensweisen in Anwesenheit eines Magnetfelds zeigen.

“Da wird die Theorie wirklich haarig – wo Leute anfangen, Bilder zu zeichnen, anstatt in der Lage zu sein, eine vollständige Theorie zu schreiben, weil sie sie nicht vollständig lösen können”, sagt Zwierlein. “Jetzt können wir überprüfen, ob diese Cartoons von Quanten-Hall-Zuständen tatsächlich real sind. Denn sie sind ziemlich bizarre Zustände.”

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