In der Festkörperphysik sind ultrakalte Atome atomare Gase mit einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt . Bei solchen Temperaturen gewinnen die quantenmechanischen Eigenschaften der Atome an Bedeutung, insbesondere durch die sogenannte Suprafluidität , ein Phänomen, das auch bei superfluidem Helium 4 auftritt .

Um solch niedrige Temperaturen zu erreichen, ist typischerweise eine Kombination mehrerer Techniken erforderlich. [ 1 ] Zunächst werden Atome in einer magneto-optischen Falle mittels Laserkühlung eingefangen und vorgekühlt . Um die niedrigstmögliche Temperatur zu erreichen, erfolgt eine weitere Kühlung durch Verdampfungskühlung in einer magnetischen oder optischen Falle . Mehrere Nobelpreise für Physik stehen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Techniken zur Manipulation der Quanteneigenschaften einzelner Atome (z. B. 1989, 1996, 1997, 2001, 2005, 2012, 2018).

Experimente mit ultrakalten Atomen untersuchen eine Vielzahl von Phänomenen, darunter Quantenphasenübergänge , Bose-Einstein-Kondensation (BEC), bosonische Suprafluidität , Quantenmagnetismus , Vielteilchen-Spindynamik, Efimov-Zustände [ 2 ] , Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Suprafluidität und den BEC-BCS-Übergang [ 3 ] . Einige dieser Forschungsrichtungen nutzen ultrakalte Atomsysteme als Quantensimulatoren, um die Physik anderer Systeme zu untersuchen, darunter das unitäre Fermi-Gas sowie die Ising- und Hubbard -Modelle [ 4 ] . Ultrakalte Atome könnten auch zur Realisierung von Quantencomputern eingesetzt werden [ 5 ] [ 6 ] .

Geschichte

Proben ultrakalter Atome werden typischerweise durch die Wechselwirkung eines verdünnten Gases mit einem Laserfeld hergestellt. Der Nachweis des Strahlungsdrucks, der Kraft, die Licht auf Atome ausübt, wurde 1901 unabhängig voneinander von Lebedew sowie von Nichols und Hull erbracht. 1933 demonstrierte Otto Frisch die Ablenkung einzelner Natriumteilchen durch das Licht einer Natriumdampflampe.

Die Erfindung des Lasers beflügelte die Entwicklung weiterer Techniken zur Manipulation von Atomen mit Licht. Die Kühlung von Atomen mittels Laserlicht wurde erstmals 1975 vorgeschlagen. Dabei wird der Doppler-Effekt genutzt, um die Strahlungskraft auf ein Atom von seiner Geschwindigkeit abhängig zu machen – eine Technik, die als Dopplerkühlung bekannt ist . Ähnliche Ansätze wurden auch zur Kühlung von Proben gefangener Ionen entwickelt. Die Anwendung der Dopplerkühlung in drei Dimensionen verlangsamt Atome auf Geschwindigkeiten von typischerweise wenigen cm/s und erzeugt eine Art optischen Melasse . [ 7 ]

Typischerweise wurden für diese Experimente neutrale Atome in thermischen Öfen erzeugt, die Temperaturen von einigen hundert Kelvin erreichten. Die Atome aus diesen Öfen bewegen sich mit Hunderten von Metern pro Sekunde. Eine der größten technischen Herausforderungen bei der Dopplerkühlung bestand darin, die Wechselwirkungszeit eines Atoms mit dem Laserlicht zu verlängern. Diese Herausforderung wurde durch die Einführung eines Zeeman-Verlangsamers bewältigt . Ein Zeeman-Verlangsamer nutzt ein räumlich variables Magnetfeld, um den relativen Energieabstand der an der Dopplerkühlung beteiligten Atomübergänge aufrechtzuerhalten. Dadurch verlängert sich die Wechselwirkungszeit des Atoms mit dem Laserlicht. Alternativ können auch Metalldispenser eingesetzt werden. Diese bestehen aus reinen Metallstäben (typischerweise Alkalimetallen ), die bei Erwärmung ( höherer Dampfdruck ) durch elektrischen Strom emittieren.

Die Entwicklung der ersten magneto-optischen Falle (MOT) durch Raab et al. im Jahr 1987 war ein wichtiger Schritt zur Erzeugung von Proben ultrakalter Atome. Typische Temperaturen, die mit einer MOT erreicht werden, liegen im Bereich von zehn bis mehreren hundert Mikrokelvin. Im Wesentlichen schließt eine magneto-optische Falle Atome im Raum ein, indem sie ein Magnetfeld anlegt, sodass Laser nicht nur eine geschwindigkeitsabhängige, sondern auch eine ortsabhängige Kraft erzeugen. Der Nobelpreis für Physik 1997 [ 7 ] wurde für die Entwicklung von Methoden zur Kühlung und zum Einfangen von Atomen mit Laserlicht verliehen und ging an Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips .

Die Verdunstungskühlung wurde in Experimenten eingesetzt, um niedrigere Temperaturen zu erreichen und so einen neuen Materiezustand zu entdecken , der von Satyendra Nath Bose und Albert Einstein vorhergesagt wurde: das Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Bei der Verdunstungskühlung entweichen die heißesten Atome einer Probe, wodurch deren Durchschnittstemperatur sinkt. Der Nobelpreis 2001 [ 1 ] wurde Eric A. Cornell , Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman für die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten in verdünnten Gasen von Alkalimetallatomen sowie für frühe Grundlagenforschung zu den Eigenschaften dieser Kondensate verliehen.

In den letzten Jahren haben verschiedene Sub-Doppler-Kühltechniken , darunter Polarisationsgradientenkühlung , Kühlung mit grauer Melasse und Raman-Seitenbandkühlung , die Kühlung und das Einfangen einzelner Atome in optischen Pinzetten ermöglicht . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Experimentelle Plattformen, die ultrakalte neutrale Atome in optischen Pinzetten und optischen Gittern nutzen , haben sich zu einem immer beliebteren Ansatzpunkt für die Erforschung von Quantencomputing, Quantensimulation und Präzisionsmetrologie entwickelt . Atome mit geschlossenen Zyklusübergängen, die viele Photonen mit geringer Wahrscheinlichkeit in andere Zustände zerfallen lassen, sind häufige Kandidaten für Experimente mit ultrakalten neutralen Atomen. Die energieärmsten Feinstrukturübergänge in Alkalimetallatomen ermöglichen Fluoreszenzbildgebung, während eine Kombination aus Hyperfein- und Zeeman- Unterniveaus zur Realisierung von Sub-Doppler-Kühlung genutzt werden kann. Erdalkalimetallatome haben aufgrund ihrer schmalbandigen Kühlübergänge und ultraschmalen optischen Uhrenübergänge ebenfalls an Bedeutung gewonnen.

Anwendungen

Ultrakalte Atome bieten aufgrund ihrer einzigartigen Quanteneigenschaften und der hervorragenden experimentellen Kontrollierbarkeit solcher Systeme vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise wurden ultrakalte Atome als Plattform für Quantencomputer und Quantensimulationen vorgeschlagen [ 11 ] , was von intensiver experimenteller Forschung zur Verwirklichung dieser Ziele begleitet wird.

Quantensimulationen sind im Kontext der Festkörperphysik von großem Interesse, da sie wertvolle Einblicke in die Eigenschaften wechselwirkender Quantensysteme ermöglichen. Mithilfe ultrakalter Atome wird ein Analogon des betrachteten Festkörpersystems realisiert, das anschließend mit den in dieser Implementierung verfügbaren Werkzeugen untersucht werden kann. Da sich diese Werkzeuge stark von denen des realen Festkörpersystems unterscheiden können, lassen sich experimentell sonst unzugängliche Größen untersuchen. Darüber hinaus ermöglichen ultrakalte Atome möglicherweise sogar die Erzeugung exotischer Materiezustände, die in der Natur sonst nicht beobachtet werden können.

Da alle Atome identisch sind, eignen sich Atomgruppen ideal für die universelle Zeitmessung. 1967 wurde die SI-Definition der Sekunde geändert und bezog sich fortan auf eine Hyperfeinübergangsfrequenz in Cäsiumatomen. Inzwischen wurden Atomuhren auf Basis von Erdalkaliatomen oder erdalkaliähnlichen Ionen (wie z. B. Al⁺ ) entwickelt, die schmalbandige optische Übergänge nutzen. Um eine hohe Anzahl nicht wechselwirkender Atome zu erreichen, was die Präzision dieser Uhren erhöht, können neutrale Atome in optischen Gittern gefangen werden. Ionenfallen hingegen ermöglichen lange Messzeiten.

Ultrakalte Atome werden auch in Experimenten für Präzisionsmessungen eingesetzt, die durch das geringe thermische Rauschen und in einigen Fällen durch die Nutzung der Quantenmechanik zur Überwindung der Standardquantengrenze ermöglicht werden. Neben potenziellen technischen Anwendungen können solche Präzisionsmessungen auch dazu dienen, unser aktuelles Verständnis der Physik zu überprüfen.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ a b „Der Nobelpreis für Physik 2001 – Populärwissenschaftliche Informationen“ . www.nobelprize.org . Abgerufen am 27.01.2016 .
  2. ^ Naidon, Pascal; Endo, Shimpei (2017). „Efimov-Physik: ein Überblick“. Reports on Progress in Physics . 80 (5): 056001. doi : 10.1088/1361-6633/aa50e8 .
  3. ^ Madison, KW; Wang, YQ; Rey, AM; et al., Hrsg. (2013). Annual Review of Cold Atoms and Molecules . Band 1. World Scientific. doi : 10.1142/8632 . ISBN 978-981-4440-39-4Die
  4. ^ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012). „Quantensimulationen mit ultrakalten Quantengasen“. Nature Physics . 8 (4): 267–276 . Bibcode : 2012NatPh...8..267B . doi : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 . 
  5. ^ Nemirovsky, Jonathan; Sagi, Yoav (2021), „Schnelles universelles Zwei-Qubit-Gatter für neutrale fermionische Atome in optischen Pinzetten“, Physical Review Research , 3 (1) 013113, arXiv : 2008.09819 , Bibcode : 2021PhRvR...3a3113N , doi : 10.1103/PhysRevResearch.3.013113
  6. Bluvstein , Dolev; Evered, Simon J.; Geim, Alexandra A.; Li, Sophie H.; Zhou, Hengyun; Manovitz, Tom; Ebadi, Sepehr; Cain, Madelyn; Kalinowski, Marcin; Hangleiter, Dominik; Bonilla Ataides, J. Pablo; Maskara, Nishad; Cong, Iris; Gao, Xun; Sales Rodriguez, Pedro (2024). „Logischer Quantenprozessor basierend auf rekonfigurierbaren Atomarrays“ . Nature . 626 (7997): 58–65 . arXiv : 2312.03982 . Bibcode : 2024Natur.626...58B . doi : 10.1038/s41586-023-06927-3 . ISSN 1476-4687 . PMC 10830422 . PMID 38056497 .   
  7. ^ a b „Pressemitteilung: Der Nobelpreis für Physik 1997“ . www.nobelprize.org . Abgerufen am 27.01.2016 .
  8. ^ Dalibard, J.; Cohen-Tannoudji, C. (1989). „Laserkühlung unterhalb der Doppler-Grenze durch Polarisationsgradienten: einfache theoretische Modelle“ . Journal of the Optical Society of America B. 6 ( 11): 2023–2045 . Bibcode : 1989JOSAB...6.2023D . doi : 10.1364/JOSAB.6.002023 – via Optica Publishing Group.
  9. Weidemüller , M.; Esslinger, T.; Ol'shanii, MA; Hemmerich, A.; Hänsch, TW (1994). „Ein neuartiges Schema zur effizienten Kühlung unterhalb der Photonenrückstoßgrenze“ . EPL . 27 (109): 109–114 . Bibcode : 1994EL.....27..109W . doi : 10.1209/0295-5075/27/2/006 – via IOP Science.
  10. Kerman , Andrew J.; Vuletić, Vladan; Chin, Cheng; Chu, Steven (17. Januar 2000). „Jenseits von optischer Melasse: 3D-Raman-Seitenbandkühlung von atomarem Cäsium zu hoher Phasenraumdichte“ . Physical Review Letters . 84 (439): 439–442 . Bibcode : 2000PhRvL..84..439K . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.439 . PMID 11015933 – via APS. 
  11. ^ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012). „Quantensimulationen mit ultrakalten Quantengasen“. Nature Physics . 8 (4): 267–276 . Bibcode : 2012NatPh...8..267B . doi : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 . 

Quellen