22.11.2018

Ultrakalter „Quantencocktail“

Die experimentelle Untersuchung von ultrakalter Quantenmaterie ermöglicht die Erforschung von quantenmechanischen Phänomenen, die sonst kaum zugänglich sind. Einem Team um die Innsbrucker Physikerin Francesca Ferlaino ist es nun erstmals gelungen, Quantengase aus den stark magnetischen Elementen Erbium und Dysprosium miteinander zu vermischen und eine dipolare Quantenmischung zu erzeugen.

Noch vor wenigen Jahren schien es unmöglich, die Techniken zur Kühlung und Manipulation von ultrakalten Teilchen auf Atome mit mehreren Valenzelektronen auszudehnen. Grund dafür sind die mit der Größe zunehmende Komplexität und die unbekannten Streueigenschaften dieser Atome. Ein US-amerikanisches Forschungsteam um Ben Lev von der Stanford University und eine österreichische Gruppe um Francesca Ferlaino in Innsbruck haben diese Hürde überwunden und Quantengase aus Metallen der Seltenen Erden erzeugt. Sie verwenden die stark magnetischen und bisher wenig erforschten Elemente Dysprosium und Erbium.

Neue Möglichkeiten in der Atomphysik

Ferlainos Gruppe konzentriert sich auf die Erforschung von Erbium und entwickelte einen leistungsfähigen, aber überraschend einfachen Ansatz zur Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats. „Wir haben damit gezeigt, wie die Komplexität in der Atomphysik neue Möglichkeiten eröffnen kann“, freut sich Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Die Forschung an magnetischen Elementen gewinnt weltweit an Dynamik, da sich solche Atome als ideale Plattform zur Erzeugung von dipolarer Quantenmaterie erwiesen haben, in der Teilchen über eine weiträumige und orientierungsabhängige Wechselwirkung wie kleine Quantenmagnete miteinander interagieren.

Dipolare Quantenmaterie

In einer neuen Arbeit, die nun in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, berichtet das österreichische Team über einen neuen Fortschritt auf dem Gebiet der dipolaren Materie. Sie haben Erbium und Dysprosium miteinander vermischt und erstmals eine dipolare Quantenmischung erzeugt. „Wir haben die Atomspektren dieser beiden Elemente sehr genau untersucht und uns überlegt, wie wir sie kombinieren und gleichzeitig Quantenentartung erreichen können“, sagt Philipp Ilzhöfer, einer der beiden Erstautoren der Arbeit. „Es zeigte sich, dass unser Schema noch besser als erwartet funktioniert, so dass wir ein System schaffen konnten, in dem Bose-Einstein-Kondensate aus Erbium und Dysprosium koexistieren und miteinander wechselwirken“, ergänzt Arno Trautmann, ebenfalls Erstautor. Aufgrund der langreichweitigen Wechselwirkung zwischen den beiden Atomsorten, eröffnet dieses Ergebnis neue Perspektiven im Bereich der dipolaren Quantenmaterie.

Die Forschung wurde in einem neuen Labor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck durchgeführt und durch die ÖAW und einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) finanziell unterstützt. Die Arbeit wurde von den Herausgebern der Zeitschrift in Form einer „Editor’s suggestion“ besonders empfohlen.