Superfluidität in Mischungen fermionischer Dy- und K-Atome

Elementare Teilchen können in zwei fundamentale Klassen eingeteilt werden Bosonen und Fermionen. In der Welt der Quantenphysik versammeln sich Bosonen gerne in großen Gruppen, während Fermionen sich vorzugsweise aus dem Wege gehen, so wie es durch Paulis bekanntes Ausschließungsprinzip beschrieben wird. Fermionen sind die Grundbausteine von Materie (Elektronen, Protonen, Neutronen, Quarks usw.) und das Paulische Prinzip ist dabei wesentlich, um die Materie zu stabilisieren. So ist es verantwortlich dafür, dass Elektronen die Schalen um den Atomkern auffüllen, und es verhindert auch den Kollaps von Neutronensternen im starken Gravitationsfeld. Durch einen subtilen Mechanismus aber können die Fermionen das Pauli-Prinzip umgehen. Wenn zwei Fermionen sich durch ihre Wechselwirkung zu Paaren zusammenschließen, nimmt das resultierende zusammengesetzte Objekt den Charakter der Bosonen an. Ein verblüffender Effekt ist dann das Auftreten von Superfluidität (oder Supraleitung im Falle von geladenen Teilchen), wobei sich die Teilchen ohne jegliche Reibung bewegen können. Solche außergewöhnlichen Systeme fordern unser Grundverständnis von Materie heraus und sind auch von großem Interesse für mögliche Anwendungen zum verlustfreien Transport elektrischer Energie. Superfluide Systeme lassen sich mit ultrakalten atomaren Quantengasen untersuchen, die im Labor bei Temperaturen von nur wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erzeugt werden. Derartige Systeme sind außergewöhnlich rein und können sehr gut kontrolliert, manipuliert und detektiert werden. Sie bieten hervorragende Eigenschaften, um Modellsysteme zur Untersuchung des fundamentalen Verhaltens von Vielteilchen-Quantensystemen zu realisieren. Superfluidität wird schon seit etwa zwei Jahrzehnten in ultrakalten Systemen untersucht. Das schließt auch Experimente mit Fermionen einer einzelnen atomaren Spezies ein, die aber auf Paare von Teilchen gleicher Masse beschränkt sind. Unser Projekt zielt auf die Realisierung von neuartigen Formen der Superfluidität in Mischungen verschiedener fermionischer Atomsorten ab. Theoretische Arbeiten haben vorhergesagt, dass unterschiedliche Massen neuartige Paarbildungsmechanismen begünstigen und so zu neuen Regimes der Superfluidität führen können. Solche Phänomene haben in der theoretischen Literatur großes Interesse gefunden, doch waren sie bisher experimentell nicht zugänglich. In unserem Labor kombinieren wir ein fermionisches Isotop von Dysprosium (161Dy) mit fermionischem Kalium (40K) und realisieren so eine ultrakalte Quantengas-Mischung. In früheren Arbeiten konnten wir bereits zeigen, dass diese zwei Isotope über eine quantenmechanische Resonanz stark wechselwirken können und wie dies über ein Magnetfeld kontrolliert werden kann. Das aktuelle Projekt hat die Erzeugung und Detektion neuartiger superfluider Zustände zum Ziel mit der Aussicht bahnbrechender Erkenntnisse für unser fundamentales Verständnis stark wechselwirkender Fermionensysteme.