Quantenentartetes Strontium: Mischungen, Moleküle und Vielteilchen-Physik

Die Quantenphysik beschreibt die Welt der Atome, Moleküle und Festkörper. Ihr Verständnis ist die Grundlage vieler moderner Errungenschaften, wie Laser, Computerchips oder Kernspintomographen. Auch wenn wir schon viel über die Quantenphysik wissen, birgt sie noch viele Geheimnisse. Eine Möglichkeit, die Quantenphysik zu erforschen besteht darin, Gase auf extrem niedrige Temperaturen abzukühlen. Dann Verhalten sich die Atome nicht mehr nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen. Wenn diese Wellen sich überlagern, entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat. Dies ist eine große Materiewelle, welche das Verhalten von Millionen Atomen beschreibt. Mithilfe von Lasern ist es möglich, das Bose-Einstein-Kondensat zu beeinflussen und seine Reaktion zu untersuchen. Dadurch können Rückschlüsse auf die Quantenphysik, welche das Kondensat beschreibt, gezogen werden. Bose-Einstein-Kondensate wurden zum ersten Mal 1995 mit Rubidium- und Natriumgasen erzeugt und wurden seither zu einem intensiv untersuchten Forschungsobjekt. Für die meisten Untersuchungen wurden dabei Atome mit recht einfacher Struktur benutzt. Im September 2009 ist es uns gelungen, das weltweit erste Bose-Einstein- Kondensat aus Strontium zu erzeugen. Strontium ist ein Element mit einer reichhaltigen internen Struktur. Dies wird es ermöglichen, mehr Einfluss auf die Atome zu nehmen und interessantere Quantenobjekte zu erzeugen und zu untersuchen. Das Strontium-Bose-Einstein-Kondensat ist die Grundlage des START-Forschungsvorhabens "Quantenentartetes Strontium: Mischungen, Moleküle und Vielteilchenphysik", im Zuge dessen das Beste aus den sich neu eröffneten Möglichkeiten gemacht werden soll. Dazu zählt die mögliche Realisierung von Quantencomputern und Quantensimulatoren. Mit gewöhnlichen Computern ist es nur in speziellen Fällen und mit großen Vereinfachungen möglich, quantenmechanische Systeme zu beschreiben, denn das Verhalten quantenmechanischer Systeme ist zu kompliziert. Man kann sich dieses Verhalten aber auch zunutze machen und Computer aus quantenmechanischen Systemen bauen. Dadurch erhält man Rechner mit potenziell erheblich höherer Rechenkapazität. Es ist auch möglich, ein schwierig zu untersuchendes Quantensystem, wie einen Kristall, durch ein gut beeinflussbares und erforschbares Quantengas im Labor zu simulieren. Wie man Quantencomputer bauen kann und welche Systeme man simulieren kann, hängt von den Eigenschaften des benutzten Quantengases ab. Strontium bietet dafür mehr Freiheiten als andere Gase. Zudem soll Strontium mit Rubidium gemischt und Strontium-Rubidium Moleküle erzeugt werden. Diese haben sehr interessante Wechselwirkungseigenschaften, welche eine ganze Klasse neuer Quantensimulationen ermöglichen wird. Die Voraussetzung für die Realisierung dieser Vorhaben ist ein gut ausgestattetes Labor, wie es am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften geboten wird, motivierte DoktorandInnen und Postdocs und eine solide finanzielle Basis, wie sie durch den START- Preis zur Verfügung gestellt wird. Projekt-Homepage: http://www.uibk.ac.at/exphys/ultracold/projects/strontium/project.html

Die Quantenmechanik regiert die Welt auf mikroskopischer Skala und führt zu Phänomenen, welche der klassischen Physik unbekannt sind. Es ist wichtig diese Phänomene zu verstehen, insbesondere solche, welche aus der Wechselwirkung vieler Teilchen hervorgehen, denn dies vertieft nicht nur unser Verständnis der Natur, sondern inspiriert auch die Kreation von Materialien mit bislang nicht vorkommenden aber technisch sehr wertvollen Eigenschaften, oder die Konstruktion neuer Quantengeräte. Obwohl die Grundgesetze der Quantenmechanik bekannt sind, ist es oft extrem schwierig, oder sogar unmöglich, die Eigenschaften eines Quantensystems zu berechnen. Deswegen sind Experimente notwendig um die Grenzen unseres Verständnisses zu testen und zu verschieben. Während der ersten Phase dieses START Projektes wurden ultrakalte Strontium Quantengase als neue, gut kontrollierte Quantensysteme etabliert, mit welchen wir neue Bereiche der Quantenmechanik erforschen und einzigartige, sehr nützliche Quantengeräte bauen können. Wir entwickelten Methoden, mit welchen wir Gase aller Strontium Isotope und ihrer Mischungen auf extrem niedrige Temperaturen abkühlen können und welche uns die volle Kontrolle über diese Gase geben. Während dieser Arbeit ergab sich eine unvorhergesehene Gelegenheit eine seit langem bestehende große Herausforderung in unserem Gebiet zu meistern: das Kühlen eines Gases ins Quantenregime unter Benutzung nur einer einzigen Kühlmethode. Der von uns daraufhin entwickelte Ansatz sollte es in Zukunft sogar ermöglichen ein weiteres großes Ziel zu erreichen, nämliche einen wirklich kontinuierlich arbeitenden Atomlaser zu bauen. Wir werden in den nächsten Jahren unsere Erfahrung dazu verwenden, ein solches Quantengerät zu konstruieren. Der Atomlaser ist perfekt geeignet um Präzisionsmessgeräte zu verbessern, wie beispielsweise Uhren oder Beschleunigungsmesser, welche wichtige Anwendungen in der Navigation oder Geologie haben oder es ermöglichen nach zeitlichen Änderungen von Naturkonstanten zu suchen. Die zweite Phase unseres Projektes war der Erzeugung von RbSr Molekülen mit kompletter Kontrolle über alle Freiheitsgrade gewidmet. Diese Moleküle haben einzigartige Eigenschaften, eine langreichweitige elektrische Dipolwechselwirkung und ein ungepaartes Elektron. Diese Eigenschaften werden es uns ermöglichen noch vielfältigere Quantenvielteilchensysteme zu untersuchen als mit den viel einfacheren Sr Atome. Wir haben unsere Maschine um Rb erweitert, Rb-Sr Gasmischungen im Quantenregime erzeugt und relevante Eigenschaften von RbSr Molekülen spektroskopiert. Wir haben auch ein neues Molekülerzeugungsverfahren entwickelt, welches für RbSr geeignet ist, und haben dieses Verfahren durch die Erzeugung von Sr2 Molekülen getestet. Der Erfolg meines START Projektes hat es mir nach nur drei Jahren ermöglicht, eine Professorenstelle (full professor) an der Universität Amsterdam zu erhalten. Meine Gruppe und das Rb-Sr Experiment sind mittlerweile von Innsbruck nach Amsterdam umgezogen, wo wir, durch einen ERC consolidator grant gefördert, unsere Forschung weiterführen werden.