Als die Teilchen rechnen lernten

Ein Quantensimulator mit ultrakalten Atomen soll die Hochtemperatursupraleitung aufklären

Von Rainer Scharf

Auch 22 Jahre nach ihrer Entdeckung gibt die Hochtemperatursupraleitung Rätsel auf. Zahlreiche Kuprate - Verbindungen aus Kupfer, Sauerstoff und anderen Elementen - verlieren bei vergleichsweise hohen Temperaturen jeglichen elektrischen Widerstand. Zwar weiß man, dass die Elektronen in diesen kristallinen Materialien Paare bilden, die sich völlig widerstandslos in bestimmten Kristallebenen bewegen. Doch was die Elektronenpaare zusammenhält, ist unklar. Überraschenderweise werden die Kuprate bei geringer Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung zu elektrischen Isolatoren, deren Elektronen sich magnetisch ordnen. Um ihre Eigenschaften besser zu verstehen, will man die Kuprate mit Hilfe ultrakalter Atome simulieren, die sich in einem Kristall aus Licht bewegen und dabei die Rolle der Elektronen übernehmen. Die Entwicklung solcher Quantensimulatoren aus Atomen und Licht wird unter anderem vom amerikanischen Verteidigungsministerium gefördert. In der Schweiz und in Deutschland hat man kürzlich erste Ergebnisse erzielt.
 
Kühlt man ein dünnes Gas aus Atomen rasch auf tiefe Temperaturen von weniger als einem Millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt, so bleibt ihm keine Zeit, sich zu verflüssigen oder zu gefrieren. Stattdessen geht es in einen neuartigen Aggregatzustand über. Jene Atome, die wie die Natriumatome zu der "geselligen" Teilchensorte der Bosonen gehören, bilden dann einen kollektiven Quantenzustand. Es entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat, das wie supraflüssiges Helium reibungsfrei fließen kann. Noch interessanter verhalten sich die "einzelgängerischen" Fermionen, zu denen neben den Elektronen auch Atome des Isotops Kalium-40 zählen. Sie bilden ein Kondensat, bei dem jedes Teilchen einen eigenen Quantenzustand annimmt. Diese Individualisten schließen sich unter bestimmten Bedingungen zu Paaren zusammen, die sich dann ebenfalls reibungslos bewegen können.

Kaliumatome verhalten sich in dieser Hinsicht wie Elektronen, lassen sich aber leichter manipulieren und beobachten. So versuchen Forscher um Tilman Esslinger von der ETH Zürich sowie die Gruppe von Immanuel Bloch an der Universität Mainz, mit Kaliumatomen die Bewegung der Elektronen in einem Hochtemperatursupraleiter zu simulieren. Während sich die Elektronen jedoch in einem Kristall bewegen und intensiv wechselwirken, bildeten die Kaliumatome zunächst eine ungeordnete Wolke und übten kaum Kräfte aufeinander aus. Um das zu ändern, brachten die Wissenschaftler die Atome in einen künstlichen Kristall. Dazu erzeugten sie mit drei senkrecht zueinander orientierten Laserstrahlen drei stehende Lichtwellen, in denen sich helle und dunkle Bereiche abwechselten. Daraufhin verspürten die Atome ein dreidimensionales periodisches Potential, dessen Form einem Stapel von Eierkartons ähnelte, und sammelten sich in den Potentialmulden.

Die Kaliumatome konnten durch die Barrieren zwischen benachbarten Mulden quantenmechanisch tunneln und sich im Lichtkristall umherbewegen wie die Elektronen in einem Metall. Jede Mulde konnte höchstens zwei Atome aufnehmen, die sich dabei in der Ausrichtung ihres quantenmechanischen Drehimpulses oder Spins unterschieden. Ein weiteres Kaliumatom in der Mulde hätte denselben Quantenzustand wie eines der schon vorhandenen Atome haben müssen, was für Fermionen jedoch "verboten" ist.

Mit einem Magnetfeld brachten die Forscher die Atome dazu, sich wie Elektronen stark abzustoßen. Daraufhin beobachteten sie, dass sich die Atome noch mehr aus dem Weg gingen und sich in jeder Potentialmulde nur höchstens ein Atom aufhielt. Die Atome konnten ihre Mulde nicht mehr verlassen und saßen wie in einem Verkehrsstau fest. Sie verhielten sich wie die Elektronen in einem Kuprat, das zu einem Mott-Isolator geworden war - einem Isolator, in dem alle vorhandenen Elektronenplätze besetzt sind. In einen solchen Isolator können auch durch äußeren Zwang keine weiteren Elektronen hineingedrückt werden. Dadurch unterscheidet er sich von herkömmlichen Isolatoren, die zusätzliche Elektronen aufnehmen und schließlich sogar elektrisch leitend werden können.

Die Experimente in Zürich und in Mainz haben gezeigt, dass die ultrakalten Kaliumatome bei starker gegenseitiger Abstoßung tatsächlich einen Mott-Isolator bildeten, der sich nicht zusammendrücken ließ. Die Spins der Atome waren jedoch ungeordnet und nicht perfekt ausgerichtet wie die Elektronenspins eines Kuprats im Zustand eines magnetisch geordneten Mott-Isolators. Da die Kräfte zwischen den Spins zweier Atome, die in Nachbarmulden sitzen, schwach sind, erwartet man eine Ausrichtung der atomaren Spins erst bei viel tieferen Temperaturen, als man sie heute erreichen kann.

Auch die Paarung der Kaliumatome und die widerstandslose Bewegung der Atompaare durch das künstliche Kristallgitter hat man noch nicht beobachten können. Allerdings hatten frühere Experimente mit Atomwolken gezeigt, dass sich fermionische Atome wie Elektronen in einem Supraleiter paaren können und dass diese Paare wiederum ein reibungsfrei fließendes Bose-Einstein-Kondensat bilden. Die "Defense Advanced Research Projects Agency" (Darpa) des Pentagons, die die Entwicklung des Quantensimulators in den Vereinigten Staaten fördert, will bis Juli 2009 Ergebnisse erzielen. Dann soll ein Simulator in zehn Stunden berechnen können, unter welchen Bedingungen ein den Kupraten nachempfundener Modellkristall magnetisch, nichtleitend oder supraleitend wird. Vielleicht lässt sich so das Rätsel der Hochtemperatursupraleitung lösen und herausfinden, ob nicht auch bei Zimmertemperatur Supraleitung möglich ist.

Text: F.A.Z., 07.01.2009, Nr. 5 / Seite N2