Quantentreiben im Eierkarton

Gefangen in einem Lichtgitter, verhalten sich kalte Atome mal wie ein Supraleiter, mal wie ein Isolator. Mit einem Mikroskop lassen sich die Vorgänge verfolgen.

Von Rainer Scharf

Extrem kalte Atome in optischen Gittern sind ein heißes Forschungsgebiet sowohl für die Atomphysik als auch für die Quanteninformatik und die Festkörperphysik. Damit lassen sich genauere Atomuhren, aber auch leistungsfähige Speicher für Quantenbits bauen. Vor allem kann man mit diesen künstlichen Kristallen die Eigenschaften realer Kristalle simulieren, die mit traditionellen experimentellen Verfahren oder mit Computersimulationen nur schwer zugänglich sind. Dazu bringt man die Atome zunächst in einen kollektiven Quantenzustand, der dem Zustand der Elektronen im realen Kristall entspricht. Anschließend untersucht man ihr Verhalten mit den gängigen Techniken der Atomphysik. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München haben nun auf diese Weise das Verhalten von Elektronen simuliert, die sich zunächst reibungsfrei in einem supraleitenden Kristall bewegen, der dann plötzlich zu einem elektrischen Isolator wird. Mit einem Mikroskop konnten die Forscher um Stefan Kuhr und Immanuel Bloch die Atome sichtbar machen und so den Phasenübergang direkt beobachten.

Die Forscher haben für ihre Versuche eine Wolke aus rund zweitausend Rubidiumatomen zunächst auf eine Temperatur von einigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Unter diesen extremen Bedingungen verloren die Atome ihren individuellen Teilchencharakter und kondensierten in einen kollektiven Quantenzustand niedrigster Energie. Dieses Bose-Einstein-Kondensat beförderte man anschließend in ein Gitter aus Licht, das man durch die Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt hatte. Die Strahlen bildeten helle und dunkle Zonen, die schachbrettförmig in einer Ebene angeordnet waren. Die Wellenlänge hatte man so gewählt, dass die Rubidiumatome in die hellen Bereiche hineingezogen und dort festgehalten wurden - ähnlich wie Murmeln in den Mulden eines Eierkartons. Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, jedes einzelne Atom auf seinem Gitterplatz abzubilden und das Treiben der Teichen im künstlichen Kristall zu verfolgen.

Die Wissenschaftler um Kuhr haben das Lichtgitter mit einem speziellen Lichtmikroskop betrachtet, während sie die Atome mit Laserlicht zum Leuchten anregten. Die Mulden, in denen sich Atome befanden, leuchteten auf, während die leeren Mulden dunkel blieben, wie Stefan Kuhr und seine Kollegen in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten. Das Verfahren hatte einen Nebeneffekt. Die angeregten Atome gewannen so viel Energie, dass sie paarweise aus dem Lichtgitter flogen. Das ging so lange, bis in den Mulden nur jeweils ein leuchtendes Atom übrig blieb, wenn sie zuvor eine ungerade Zahl von Atomen enthalten hatten. Ansonsten blieb der Gitterplatz leer zurück. Auf den Aufnahmen war deshalb niemals mehr als ein Rubidiumatom pro Mulde zu sehen.

Die verbliebenen Atome hatten nicht genug Energie, die Barrieren zwischen benachbarten Mulden zu überspringen. Sie konnten die Potentialberge aber quantenmechanisch durchtunneln - vorausgesetzt, diese waren nicht zu hoch. So gelang es den ultrakalten Atomen auch im Lichtgitter, ihre Materiewellen miteinander abzustimmen und weiterhin ein Bose-Einstein-Kondensat zu bilden. Dabei bewegten sich die Atome reibungsfrei durch das Gitter. Sie verhielten sich dabei wie die Elektronen in einem Supraleiter, die ohne Widerstand durch den Kristall wandern. Die ungehinderte Bewegung der Atome führte dazu, dass die Zahl der Teilchen in den einzelnen Mulden stark schwankte.

Die Forscher erhöhten dann die Intensität des Lichtgitters und vergrößerten dadurch die Höhe der Barrieren, so dass den Atomen das Tunneln von einer Mulde zur nächsten immer schwerer fiel. Dabei machte sich die gegenseitige Abstoßung der Atome, die in derselben Mulde saßen, zunehmend bemerkbar. Die Teilchen mieden einander und verteilten sich nahezu gleichmäßig auf alle Mulden des Gitters, so dass schließlich kein Austausch von Atomen zwischen benachbarten Mulden mehr stattfand. Jedes Teilchen war in "seiner" Mulde gefangen und konnte sich nicht mehr bewegen. Es war ein sogenannter Mott- Isolator entstanden, wie ihn Forscher um Bloch schon im Jahr 2002 erstmals beobachtet hatten.

Da Kuhr und seine Kollegen jedes einzelne Atom - anders als bei den früheren Experimenten - sichtbar machen konnten, gelang ihnen eine erstaunliche Entdeckung. Im Lichtgitter hatten sich konzentrische Ringe gebildet, in denen die Mulden entweder ein, zwei oder mehr Atome enthielten. Innerhalb einer solchen Schale war die Zahl der Atome in den Mulden konstant. Es traten keine Schwankungen mehr auf, wie es beim Bose- Einstein-Kondensat noch der Fall gewesen war. In der Schale im Zentrum des Lichtgitters war die Zahl der Atome pro Mulde am größten. Sie nahm nach außen hin von Schale zu Schale jeweils um ein Atom pro Mulde ab. Die Schalenstruktur, so erklären die Forscher, ergibt sich dadurch, dass die extrem kalten Atome sich so auf die Mulden verteilen, dass ihre Gesamtenergie möglichst gering ist.

Als die Forscher die Temperatur der Atome behutsam erhöhten, konnten sie verfolgen, wie wieder Bewegung in die Teilchen kam. Diese konnten die Barrieren zwischen den Mulden immer häufiger überspringen. Das führte dazu, dass sich die starre Schalenstruktur des Mott-Isolators auflöste. Die Ringe begannen jeweils von ihrem Rand her zu "schmelzen". Dort schwankte die Zahl der Atome in den Mulden besonders stark. Schließlich verschwand die Schalenstruktur und mit ihr der Mott-Isolator.

Das Experiment eröffnet viele interessante Möglichkeiten. So könnte man den kollektiven Quantenzustand der Atome im Lichtgitter an einer Stelle mit einem Laserstrahl stören und anschließend verfolgen, wie sich die Störung ausbreitet. Dadurch erhielte man Einblicke in die Dynamik dieses isolierenden Quantenzustands. Andererseits ließen sich die Atome in einer Schale des Mott-Isolators als quantenmechanischer Datenspeicher nutzen, vorausgesetzt, in jeder Mulde hält sich nur ein Atom auf. Die voneinander isolierten Teilchen könnten jeweils ein Quantenbit aufnehmen und zuverlässig speichern. Mit Laserlicht ließen sich diese Qubits manipulieren und schließlich auslesen.

Text: F.A.Z., 25.08.2010, Nr. 196 / Seite N2