Zum ersten Mal haben Physiker Bilder von isolierten Atomen aufgenommen, die frei im Raum interagieren. Dieser Durchbruch bestätigt hundert Jahre alte theoretische Vorhersagen über das Quantenverhalten von Materie.
Diese direkte Beobachtung, die lange als unmöglich galt aufgrund der schwer fassbaren Natur von Atomen, eröffnet ein neues Fenster für die Erforschung quantenphysikalischer Phänomene. Dank einer innovativen Technik, die Laser und extreme Kühlung kombiniert, haben die Forscher diese flüchtigen Objekte eingefroren, um ihre Wechselwirkungen sichtbar zu machen.
Eine technische Meisterleistung zur Erforschung des Winzigsten
Atome, tausendmal dünner als ein menschliches Haar, gehorchen den kontraintuitiven Gesetzen der Quantenmechanik. Ihre Position und Geschwindigkeit können nicht gleichzeitig gemessen werden, was ihre direkte Beobachtung besonders schwierig macht.
Die vom MIT-Team entwickelte Methode verwendet eine Laserfalle, um eine Wolke von Atomen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einzuschließen. Ein optisches Gitter friert sie kurzzeitig ein, sodass ein zweiter Laser ihre individuellen Positionen durch Fluoreszenz sichtbar machen kann.
Dieser Ansatz, genannt "Mikroskopie mit atomarer Auflösung", übertrifft traditionelle Bildgebungsverfahren, die nur die Gesamtform von Atomwolken erfassten. Er bietet eine beispiellose Auflösung für die Untersuchung quantenmechanischer Korrelationen.
Oben: Darstellungen von beweglichen Atomen in einer Falle (rot), eingefroren durch ein optisches Gitter und beobachtet via Raman-Kühlung.
Unten: mikroskopische Aufnahmen von 23Na, die ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, einer schwach wechselwirkenden Mischung von 6Li in einem einzelnen Spin-Zustand, dann einer stark wechselwirkenden Mischung von 6Li in zwei Spin-Zuständen, die die Bildung von Paaren zeigen. Bosonen und Fermionen unter der Lupe
Die Forscher wendeten ihre Technik auf zwei Arten von Objekten an: eine Wolke von Bosonen aus Natriumatomen und eine Wolke von Fermionen aus Lithiumatomen in Form eines Bose-Einstein-Kondensats. Erstere, die in der Lage sind, denselben Quantenzustand zu teilen, bestätigten ihre Tendenz, sich zu einer kollektiven Welle zusammenzuschließen, wie Louis de Broglie 1924 vorhergesagt hatte.
Im Gegensatz dazu zeigten Fermionen ihre abstoßende Natur und vermieden jeden Kontakt mit ihresgleichen. Allerdings bildeten sich Paare zwischen Fermionen unterschiedlicher Art, ein Schlüsselmechanismus zum Verständnis der Supraleitung. Diese gegensätzlichen Verhaltensweisen veranschaulichen die Welle-Teilchen-Dualität im Herzen der Quantenphysik.
Das Team plant nun, exotischere Phänomene zu untersuchen, wie den Quanten-Hall-Effekt, bei dem Elektronen unter dem Einfluss starker Magnetfelder korrelierte Zustände einnehmen. Diese Arbeiten könnten noch unvollständige Theorien erhellen.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: Physical Review Letters