Kontrolle von ultrakalten Quantengasen durch abgeschirmte Wechselwirkung

Das BLUESHIELD Projekt vereinigt die Bemühungen von zwei französischen Gruppen mit komplementärem theoretischen Know-how in Wenig-Teilchen- (LAC-Orsay) und Viel-Teilchen- (IPCMS- Straßburg) Quantenphysik mit der experimentellen Expertise eines österreichischen Partners (UIBK- Innsbruck). Ziel ist es, neuartige experimentelle Methoden vorzuschlagen, die Dynamik ultrakalter Quantengase zu kontrollieren. Diese Methoden sollen dann im Experiment in Innsbruck umgesetzt werden. Die zentrale Idee ist die Verwendung von optischen Laserfeldern, um Quantenzustände von kollidierenden ultrakalten Atomen und Molekülen zu kontrollieren, indem man verhindert, dass die Teilchen sich auf kurzen Distanzen nahe kommen. Diese Technik der optischen Abschirmung (blue shielding) würde es ermöglichen, die Kontrolle über das Wechselspiel zwischen den verschiedenen Arten von relevanten Wechselwirkungen, nämlich (i) der Kontakt-Wechselwirkung mit kurzer Reichweite, (ii) der langreichweitigen, lichtinduzierten Wechselwirkungen und (iii) des Einschlusses durch externe magnetische oder optische Felder, zu erlangen. Bei ultratiefen Temperaturen werden dann neuartige Vielteilcheneffekte erwartet, welche insbesondere in reduzierten Dimensionen zu neuartigen Zuständen führen würden (Gitter-Festkörper, Luttinger-Flüssigkeiten). Im Falle einer Realisierung würden diese Phänomene bedeutende Auswirkungen auf die Quantensimulation von kondensierter Materie und auf die Quanteninformationsverarbeitung haben.

Das Forschungsgebiet der ultrakalten Quantengase hat in den Jahren seit der Erzeugung des ersten Bose-Einstein Kondensats im Jahre 1995 eine stürmische Entwicklung durchlaufen. Es hat sich herausgestellt, dass sich ultrakalte Atomensembles zur Quantensimulation von stark korrelierten elektronischen Systemen wie z.B. Elektronen in einem Festkörper eignen. Es besteht die Hoffnung, mithilfe von ultrakalten Gasen neuartige Materialien mit exotischen Eigenschaften wie z.B. der Hochtemperatur-Supraleitung zu simulieren. Entscheidend für viele der vorgeschlagenen Experimente ist die Kontrolle der Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Zum einen ist man an einer starken elastischen Wechselwirkung interessiert, zum anderen aber will man inelastische Streuprozesse, die in der Regel zu Teilchenverlust und Temperaturerhöhung führen, unterdrücken. Ziel dieses Projekts ist es, elastische wie inelastische Streuprozesses mithilfe von Laserlicht zu kontrollieren. Theoretische Unterstützung gab es von Kollegen in Frank- reich in Orsay und Straßburg, die Experimente sollten in Innsbruck durchgeführt werden. Solche Kontrolle sollte nicht nur für atomare, sondern auch für molekulare Wechselwirkungen möglich sein. Das Spektrum an Möglichkeiten würde sich durch den Einsatz von ultrakalten molekularen Systems sehr erweitern. Im vorliegenden Projekt wurden erste Schritte in diese Richtung unternommen. Ein Highlight der Projektarbeit war allerdings ein Resultat, dass (noch) nicht von der Laserlichtkontrolle der Wechselwirkung Gebrauch machte: In einem stark wechselwirkenden eindimensionalen Quantengas konnte ein Effekt beobachtet werden, den man ansonsten nur für ein kristallines System mit periodischer Struktur erwartet hätte (F. Meinert et al., Science 2017). Ein beschleunigtes Fremdatom wies eine periodische Bewegung auf, die ganz im Gegensatz zu der Erwartung stand, dass die Bewegung einfach nur eine Drift des Teilchens sein sollte. Dieses Experiment wirft nun die spannende Frage auf, wie generell starke elastische Wechselwirkungen den Transport von Teilchen in Quantendrähten beeinflussen. Angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung im Bereich der Elektronik werden nämlich Quantendrähte in Zukunft eine große Relevanz für den Teilchentransport spielen.