Ludwig-Maximilians-Universität München
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Quantenoptik

Spin-Austausch ultrakalter Atome

München, 03.09.2014

Wissenschaftler vom LMU und MPQ weisen einen hochsymmetrischen Spin-Austausch zwischen Atomen in unterschiedlichen Orbitalen nach.

Die verschiedenen Spin-Zustände der SU(N=6) Symmetriegruppe können voneinander getrennt und dann abgebildet werden. Die Dynamik des Prozesses ist unabhängig von der Wahl der anfänglichen Spin-Kombination.(Grafik: LMU / MPQ)

Das physikalische Verhalten von Stoffen ist zum größten Teil bestimmt durch die Wechselwirkungen und die Bewegungen der Elektronen innerhalb des Materials. Während es sich bei einem einzelnen Elektron um ein relativ einfaches Objekt handelt, das lediglich durch seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, charakterisiert ist, kann das kollektive Verhalten eines Systems aus vielen interagierenden Elektronen außerordentlich komplex sein. Dies korrekt zu beschreiben ist meist der Schlüssel zum Verständnis der Materialeigenschaften. Materie mit komplexem kollektivem Verhalten, insbesondere solche, bei denen die Wechselwirkung der Elektronen auch deren Spins involviert, stellen dabei eine besondere theoretische und experimentelle Herausforderung dar. Seit einigen Jahren versucht man daher, das Verhalten von Ensembles von Elektronen in besonders gut kontrollierten Bedingungen nachzubilden, indem man ultrakalte Gase in künstlichen Gittern aus Licht als Modelle für kristalline Festkörper präpariert.

Ein Team um Dr. Simon Fölling und Professor Immanuel Bloch, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik an der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, hat nun gezeigt, dass bestimmte Atome auch durch Austausch ihrer Spins wechselwirken können, auch wenn sie sich in verschiedenen „elektronischen Orbitalen“ befinden. Dieser Prozess war bisher nur bei Elektronen bekannt. Darüber berichten die Forscher aktuell in Nature Physics.

Dazu präparierten die Wissenschaftler die Atome zunächst in verschiedenen Spin-Zuständen, um sie danach paarweise in Wechselwirkung zu bringen. Das Ergebnis wurde analysiert, und die damit verbundene Energiemenge bestimmt. Dabei konnten die Forscher nachweisen, dass der Spin-Austausch-Prozess bei Ytterbium-Atomen in einer besonders symmetrischen Weise stattfinden kann, welche bislang nur theoretisch vorhergesagt worden war und in der Natur nicht beobachtet werden konnte. Der experimentelle Nachweis ebnet den Weg, bislang unzugängliche Quantenphänomene experimentell zu untersuchen.
(Nature Physics, 3061 (2014), Advance Online Publication)

Zur vollständigen Meldung auf der Webseite des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik