Physiker erzeugen fraktionales Fermi-Meer in ultrakalten Atomen
Forscher der Universität Innsbruck und des CNRS bringen Cäsiumatome aus dem Gleichgewicht und entdecken einen geordneten Quantenzustand.
Von Letizia Giugliano
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Ein Forschungsteam unter Leitung der Universität Innsbruck hat in Zusammenarbeit mit französischen Theoretikern eine exotische Quantenkonfiguration erzeugt, die als fraktionales Fermi-Meer bekannt ist. Wie in Physical Review Letters berichtet wird, zeigt diese wissenschaftliche Innovation, dass ultrakalte Atome, die abwechselnd Anziehung und Abstoßung ausgesetzt sind, eine strukturierte Ordnung beibehalten, statt in thermische Unordnung zu kollabieren.
Ultrakalte Atome aus dem Gleichgewicht bringen
Unter Standardbedingungen nahe dem absoluten Nullpunkt besetzen Quantenteilchen diskrete Energiezustände in vorhersagbaren Konfigurationen, etwa dem Fermi-Meer, das bei Elektronen und anderen Fermionen beobachtet wird. Laut einem Bericht von ScienceDaily untersuchten Forscher, was geschieht, wenn diese stabilen Bedingungen gezielt gestört werden – eine wichtige Innovation bei der Manipulation von Quantenzuständen.
Zu diesem Zweck schlossen die Forscher ultrakalte Cäsiumatome in ein eindimensionales System ein und beschränkten ihre Bewegung auf eine einzige Achse, um die Wechselwirkungen präzise zu kontrollieren. Der theoretische Physiker Alvise Bastianello vom CNRS und der Université Paris-Dauphine modellierte den Effekt, die Atome kontinuierlich zwischen starker gegenseitiger Abstoßung und starker gegenseitiger Anziehung hin- und herzuschalten. Wie der Erstautor Yi Zeng in der Studie anmerkte, brachte dieses Umschalten die Atome aus ihrem energetisch niedrigsten Grundzustand in eine angeregte Konfiguration, ohne chaotische thermische Erwärmung zu verursachen, und erzeugte so einen strukturierten Vielteilchenzustand.
„Dieser Zustand ist stark angeregt, aber er ist nicht zufällig. Er hat eine verborgene Ordnung, die in seinen Korrelationen sichtbar wird.“
— Hanns-Christoph Nägerl, Universität Innsbruck
Mathematische Muster und Friedel-Oszillationen
Die daraus resultierende Anordnung, als fraktionales Fermi-Meer bezeichnet, weicht vom typischen Nichtgleichgewichtsverhalten ab, indem sie eine ausgeprägte innere Organisation beibehält. Wie ScienceDaily ausführt, zeigt die Konfiguration charakteristische wellenartige Dichteschwankungen, sogenannte Friedel-Oszillationen, die nachzeichnen, wie Quantenteilchen einander beeinflussen.
Die Forscher stellten außerdem anomale Korrelationsabfälle zwischen Teilchen über Distanzen hinweg fest, selbst wenn die abstoßenden Kräfte relativ gering blieben. Diese spezifischen mathematischen Signaturen weichen von Vorhersagen auf Grundlage der Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeitstheorie ab, dem etablierten Rahmen zur Beschreibung wechselwirkender Quantenteilchen in einer Dimension, und zeigen, dass der Zustand außerhalb traditioneller Gleichgewichtsmodelle funktioniert.
Emergente Quasiteilchen und theoretische Fragen
Die Entdeckung liefert eine theoretische und experimentelle Grundlage für die Arbeit am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck unter Leitung von Gruppenleiter Hanns-Christoph Nägerl. Die Forschung zeigt, wie koordiniertes Teilchenverhalten kollektive Anregungen erzeugt, in der Physik als Quasiteilchen bekannt, die innerhalb des Systems als einzelne Entitäten wirken.
Da das beobachtete Verhalten durch bestehende eindimensionale Modelle nicht vollständig erklärt werden kann, prüfen die Forscher, wie diese kollektiven Phänomene zu klassifizieren sind. Wie ScienceDaily dokumentiert, merkte Nägerl an, dass die ungewöhnlichen Anregungen eine eigene Klasse von Entitäten darstellen könnten, und schlug vorläufig den Begriff Super-Fermionen vor, während die Forschung zu diesen Nichtgleichgewichtszuständen weitergeht und neue Erkenntnisse liefert, die künftige Erfindungen in fortschrittlichen Quantentechnologien anregen könnten.
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