Ein neues Verfahren erlaubt es Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, jedes Teilchen eines ultrakalten Quantengases einzeln abzulichten. Diese bisher unerreichte Auflösung eröffne neue Möglichkeiten, solche stark wechselwirkenden Systeme zu untersuchen, zu manipulieren und als Modellsystem einzusetzen.

In ihrem Experiment kühlten die Physiker um Immanuel Bloch Rubidiumatome nahezu auf den absoluten Nullpunkt herab, so dass diese ein Bose-Einstein-Kondensat formten. Die Teilchen nehmen hierbei alle den gleichen Quantenzustand ein. Mit Hilfe von Laserstrahlen erzeugten sie dann eine regelmäßige Struktur, ein optisches Gitter, in dessen hellen Bereichen sich die Rubidiumatome niederlassen. Bei niedriger Lichtintensität, also geringer Gitterhöhe, können die Teilchen zu den benachbarten Gitterplätzen gelangen. Sind die "Mulden" dagegen tiefer, müssen sie unter Umständen auf einem festen Platz verharren. In diesem Fall sprechen Physiker von einem Mott-Isolator.

Mit einem speziellen Mikroskop untersuchten Bloch und seine Kollegen nun das Fluoreszenzlicht, das beim Abkühlen der Rubidiumatome mittels Laserlicht emittiert wird. Anhand dieser Schnappschüsse rekonstruierte das Team dann die Verteilung der Atome auf dem Gitter und identifizierte sogar einzelne Anregungen mit hoher Genauigkeit. Dabei variierten die Wissenschaftler sowohl die Teilchenzahl als auch die Temperatur des Quantengases.

Mit ihrem Experiment konnten sie zudem frühere Modellrechnungen bestätigen. Demnach schwankt die Anzahl der Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat von Gitterplatz zu Gitterplatz, während sie im Mott-Isolator konstant bleibt. Enthielte jeder Gitterplatz nur ein Teilchen, könnten sich diese Mott-Isolatoren als so genannte Quantenregister in zukünftigen Quantencomputern bewähren, glauben die Forscher. Die Atome ließen sich hierin als Qubit – das quantenmechanische Pendant zum klassischen Bit – einsetzen und im Idealfall einzeln manipulieren. Aber auch viele andere Experimente der Vielteilchen- oder Quantenphysik, in denen ultrakalte Atome in optischen Gittern zum Einsatz kommen, könnten von der neuen Technik profitieren. (mp)