Wechselwirkungen in ultrakalten Dy-K-Mischungen

Ultrakalte Quantenmaterie wird im Labor durch Abkühlung auf Temperaturen im Bereich von wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erzeugt. Unter solchen Extrembedingungen offenbart Materie ihren fundamentalen Quantencharakter und zeigt faszinierende Quanteneffekte. Aufgrund hervorragender experimenteller Zugänglichkeit und mit einzigartiger Kontrolle über Wechselwirkungen dienen solche Systeme als Prüfstand für das theoretische Verständnis von Quantenvielteilchensystemen. Experimente in unerforschten Wechselwirkungsbereichen führen oft zur Entdeckung neuer, bisher unbekannter Quantenphänomene. Gemische aus zwei verschiedenen Atomsorten spielen auf dem Arbeitsgebiet eine sehr wichtige Rolle, da so Systeme mit neuen Eigenschaften realisiert werden können. Viele verschiedene Kombinationen wurden bisher bereits realisiert, doch basieren die meisten Experimente auf zwei Alkali-Atomen, da hier die Techniken zur Laserkühlung bereits sehr gut etabliert sind. Um die Beschränkungen solcherkonventioneller Systemezuüberwinden undneue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen, sind neuartige atomare Gemischen von großem Interesse. In unserem Projekt kombinieren wir erstmals ein magnetisches Lanthaniden-Atom mit einem Alkali- Atom und erschließen so eine neue Klasse von atomaren Mischungen. Wir verwenden eine Mischung aus Dysprosium- und Kalium-Atomen, die individuell jeweils sehr gut laserkühlbar und in Fallen speicherbar sind und die auch sehr gut miteinander kompatibel sind. Darüberhinaus bieten beide Spezies eine reiche Auswahl an Isotopen mit fermionischem und bosonischem Charakter. Die Kombination von zwei fermionischen Isotopen ist dabei von besonderem Interesse zur Realisierung neuartiger superfluider Zustände mit interessanten Analogien zur Hochtemperatur-Supraleitung. Das Hauptziel unseres Projekts ist die Erlangung eines fundamentalen Verständnisses der bis dato unbekannten Wechselwirkungseigenschaften von Dy-K-Mischungen. Von besonderem Interesse sind dabei magnetfeldabhängige Resonanzphänomene (sogenannte Feshbach-Resonanzen), mit Hilfe derer Wechselwirkungen abgestimmt werden können. In den Experimenten sollen der Wärmekontakt beider Spezies durch elastische Stöße und Verlustprozesse durch inelastische Stöße als Funktion des Magnetfeldes vermessen werden. Komplementiert werde diese Untersuchungen durch die Spektroskopie von molekularen Zuständen nahe an Resonanzen. In den Experimenten planen wir zunächst, die Kombination von zwei fermionischen Isotopen zu untersuchen, da diese besonders vielversprechend für die Realisierung neuartiger superfluider Zustände ist. In einer späteren Phase sollen die Experimente auf verschiedene Isotopenkombinationen erweitert werden, die im Hinblick auf weitere Anwendungen von bosonischer und fermionischer Quantenmaterie interessant sind. Das fundamentale Verständnis von Wechselwirkungen im Dy-K-Gemisch wird die Grundlage für viele zukünftige neue Experimente zu stark wechselwirkenden Quantengasen schaffen.

In der Quantenphysik lassen sich alle Teilchen in zwei Klassen einteilen: Bosonen können bei extrem tiefen Temperaturen in einen einzigen Quantenzustand kondensieren und so ihre Identität verlieren. Fermionen hingegen meiden sich in der Quantenwelt. Dies ist in der Physik als Pauli-Prinzip bekannt und sorgt für die Stabilität von Materie in Atomen, Festkörpern und sogar in Neutronensternen. Fermionen sind die Grundbausteine der Materie. Durch einen Trick aber können fermionische Systeme das Pauli-Prinzip umgehen, denn wenn sich zwei Fermionen zu Paaren zusammenschließen, treten sie gemeinsam als Boson auf. Sie können dann wiederum Quantenkondensate bilden, wie es bei Supraleitern mit der Bildung und Kondensation von gepaarten Elektronen, den sogenannten Cooper-Paaren, der Fall ist. Analoge Mechanismen treten in ultrakalten Quantengasen auf, die durch Laserkühlung und Verdampfungskühlung im Temperaturbereich von Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt präpariert werden. Für die Paarbildung benötigt es dann noch eine einstellbare Wechselwirkung, die durch magnetisch kontrollierbare Resonanzen erreicht wird. Derartige Systeme bieten einzigartige Möglichkeiten, die Grundprinzipien von Supraleitern an gut zugänglichen Modellsystemen zu erforschen. Bisher wurden suprafluide fermionische Gase nur in Gemischen aus zwei verschiedenen Spinzuständen (analog zu Elektronen im Festkörper) der gleichen Atomsorte erzeugt. Im Prinzip sollte dieses Kunststück aber auch möglich sein, wenn man verschiedene fermionische Elemente kombiniert. Wenn diese sich stark in der Masse unterscheiden, sagen theoretische Arbeiten neuartige suprafluide Zustände voraus. Allerdings ist bisher in der Welt der ultrakalten Gase noch keine Kombination bekannt, die geeignete Wechselwirkungen bietet, und so blieben derartige Zustände bisher unbeobachtet. Bei dem abgeschlossenen experimentellen Forschungsprojekt ging es darum, die Wechselwirkungseigenschaften von Gemischen aus fermionischen Dysprosium- mit fermionischen Kalium-Atomen zu untersuchen und geeignete Bedingungen für die kontrollierte Paarbildung zu identifizieren. Tatsächlich konnte eine starke quantenmechanische Resonanz gefunden und charakterisiert werden, die alle notwendigen Bedingungen erfüllt. Das Forschungsprojekt hat damit ein zentrales Ziel erreicht und den Boden für weitere Experimente zu exotischen Regimes der Suprafluidität und Supraleitung bereitet.