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18. Aug 2019

Kristall aus Licht und Atomen

Die Wechselwirkung zwischen Laserlicht und Atomen ist ein Schlüsselelement für die Simulation von Quantensystemen. Nun haben Wissenschaftler am Institut für Theoretische Physik ein neues Konzept vorgeschlagen, in dem sich ultrakalte Atome selbständig in einer mittels Licht gebundenen Kristallstruktur anordnen.

Schematische Darstellung des „Lichtkristalls“ (Grafik credit: Uni Innsbruck)

Schematische Darstellung des „Lichtkristalls“ (Grafik credit: Uni Innsbruck)

Physikalische Phänomene wie Magnetismus und Supraleitung lassen sich in Festkörpern auf elementarer Ebene nur sehr schwer untersuchen. Quantensimulationen bieten hier einen möglichen Ausweg. Schon heute können Experimentalphysiker in den Laboren abgeschirmte Systeme aus ultrakalten Atomen mit Hilfe von Laserlicht sehr genau kontrollieren und manipulieren. Dazu werden zum Beispiel stark gekühlte Teilchen in ein aus Laserstrahlen erzeugtes, optische Gitter geladen. Darin ordnen sich die Atome wie in einer Kristallstruktur an und dienen so als Modell für Festkörper. Nun haben Physiker um Helmut Ritsch am Institut für Theoretische Physik der Uni Innsbruck in der Fachzeitschrift Physical Review X einen neuen Vorschlag präsentiert, wie sich solche Kristallstrukturen auch ohne vorgegebenes optisches Gitter quasi selbständig bilden können. Die Idee orientiert sich an der spontanen Symmetriebrechung einer Flüssigkeit beim Einfrieren.

Die Innsbrucker Theoretiker bedienen sich dazu eines langgezogenen, zigarrenförmigen Bose-Einstein-Kondensats, das entlang zweier gegenläufiger Laserstrahlen positioniert wird. In dieser Konfiguration können die Atome dynamisch mit dem Laserlicht wechselwirken. Die Berechnungen der Wissenschaftler zeigen, dass sich die Atome in jenen Bereichen sammeln an denen das optische Feld am stärksten ist, womit wiederum der Brechungsindex an diesen Orten verstärkt wird. Ab einer bestimmten Laserintensität ordnen sich die Atome in einem regelmäßigen Muster an, das das einfallende Laserlicht reflektiert und dadurch ein periodisches Lichtfeld oder einen „Lichtkristall“ induziert. Basierend auf Simulationen glauben Helmut Ritsch und seine Kollegen, dass eine solche Anordnung zum Beispiel zur Erforschung von kollektiven Anregungen der Gitterschwingungen eines Festkörpers – sogenannten Phononen – verwendet werden kann und damit neue Wege für die Simulation von Festkörpern eröffnet.

*Source: Universität Innsbruck

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