Mit Hilfe von Laserlicht haben Wissenschaftler starke synthetische Magnetfelder in ultrakalten Quantengasen erzeugt. Die elektrisch neutralen Atome eines Bose-Einstein-Kondensats verhalten sich darin wie geladene Teilchen in einem gewöhnlichen Magnetfeld. Durch die neue Technik könnten in solchen Systemen nun auch physikalische Phänomene untersucht werden, die hier bisher nicht zugänglich sind.
Atome in der Falle | Zwei infrarote Laserstrahlen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen treffen auf das Bose-Einstein-Kondensat (rote Pfeile). Zusätzlich liegt ein schwaches Magnetfeld an (violetter Pfeil). Das auf diese Weise induzierte, künstliche Magnetfeld ist hier als blauer Pfeil dargestellt. In einer dazu senkrechten Ebene bilden die Rubidiumatome winzige Wirbel.
Yu-Ju Lin und ihre Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland, kühlten rund 250 000 Rubidium-87-Atome in einer magneto-optischen Falle auf eine Temperatur von rund 100 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, worauf diese ein Bose-Einstein-Kondensat bildeten. Hierbei befinden sich alle Atome in demselben quantenmechanischen Zustand und weisen deshalb alle dieselben physikalischen Eigenschaften auf. Die Wissenschaftler legten daraufhin ein schwaches, "echtes" Magnetfeld an und schossen zwei senkrecht zueinander verlaufende Laserstrahlen mit minimal unterschiedlichen Frequenzen in das ultrakalte Gas.
Dies hatte zur Folge, dass der Impuls eines Teilchens von seiner Position und Wechselwirkung mit den Laserstrahlen abhing. Durch leichte Frequenzänderungen der Laser konnte das Team um Lin die Atome in der Falle nun so manipulieren als würden sie eine bestimmte Ladung besitzen und mit einem Magnetfeld interagieren. Durch diesen Effekt formten sich winzige Wirbel aus Atomen, was die Forscher als eindeutigen Beweis für ein künstliches Magnetfeld werten.
Erzeugung des Magnetfelds | In einem „echten“ Magnetfeld wirkt auf bewegte Ladungen (rote Kugeln oben links im Bild) die Lorentzkraft, wodurch sie auf eine kreisförmige Bahn gelenkt werden. Elektrisch neutrale Teilchen (grüne Kugeln) erfahren diese Kraft hier hingegen nicht.
Im jetzt durchgeführten Experiment benehmen sich die Atome genau wie geladene Teilchen, auf welche die Lorentzkraft wirkt: Sie bewegen sich auf gekrümmten Bahnen (Illustration rechts oben)
Wird das Gas nicht manipuliert, verharren die Rubidiumatome nahezu bewegungslos in der Atomfalle (links unten). Schießen die Forscher allerdings Laserstrahlen hinein und legen ein äußeres Magnetfeld an, beginnt das Bose-Einstein-Kondensat um bestimmte Stellen zu zirkulieren. Genau hier bilden sich winzige Wirbel aus (Bild rechts unten).
Bose-Einstein-Kondensate bieten kontrollierbare Systeme, in denen sich physikalische Phänomene nachspielen und untersuchen lassen, die in komplexen Materialien stattfinden. Viele spannende Effekte beruhen jedoch auf der Lorentzkraft, die auf geladene Teilchen in einem Magnetfeld wirkt. Elektrisch neutrale Atome, wie sie im Bose-Einstein-Kondensat vorliegen, erfahren diese Kraft hingegen nicht. Vorherige Ansätze versuchten dies zu umgehen, indem sie die Atome in Rotation versetzen. Da die hierbei auftretende Corioliskraft äquivalent zur Lorentzkraft ist, täuschten sie auf diese Weise ein Magnetfeld vor. Dieses sei jedoch nicht sonderlich stabil und zudem schwächer als das nun realisierte, schreiben die Autoren.
Die neue Methode könnte künftig womöglich derart starke synthetische Magnetfelder erzeugen, dass sich auch Erscheinungen wie etwa der Quanten-Hall-Effekt studieren ließen. In gewöhnlichen Systemen, wie beispielsweise Halbleitern, gestaltet sich dies wegen der hohen Komplexität des Materials dagegen sehr schwierig. Sowohl für die Grundlagenforschung der Quantenmechanik wie auch für die angewandte Physik sind Modellsysteme deshalb von großem Interesse. (mp)
Quellen
Links im Netz
Lexika
Lin, Y. J. et al.: Synthetic magnetic fields for ultracold neutral atoms. In: Nature 462, S. 628–632, 2009.
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