Störstellendynamik in abstimmbaren 1D Quantengasen

Univ. Prof. Dr. Hanns-Christoph Nägerl1, Dr. Mikhail Zvonarev2 1. Institute for Experimental Physics, University of Innsbruck, Austria 2. LPTMS Orsay, France Bei Temperaturen nahe des absoluten Temperaturnullpunkts tritt für atomare Gase das Phänomen der Bose-Einstein Kondensation auf. Werden Atome, die Bosonen sind, weit genug gekühlt, so können sie sich alle in einer gemeinsamen Materiewelle vereinigen und sich wie ein makroskopisches Quantenobjekt verhalten. Schließt man nun eine solche Welle räumlich stark ein, so werden Quanteneffekte verstärkt und sind dann besonders gut sichtbar. Im Fall einer eindimensionalen Geometrie spricht man dann von einem atomaren Quantendraht. Im Rahmen dieses kollaborativen Projekts, welches Arbeitsgruppen in Österreich und Frankreich involviert, untersuchen wir im Experiment und in der Theorie die Dynamikvon Störstellen, die man gezielt in atomare Quantendrähte einbringt. Störstellendynamik ist generell ein zentrales Thema der Festkörperphysik. Zukünftige Leiterbahnen in Bereich der Mikro- bzw. Nanoelektronik werden in 15 bis 20 Jahren durch die fortschreitende Miniaturisierung die lateralen Dimensionen von einem einzelnen Atom erreichen. Unser Projekt zielt darauf ab, schon jetzt die Quanteneffekte zu identifizieren, die in Quantendrähten der Zukunft eine Rolle spielen könnten. Wir benutzen dazu Atome in unterschiedlichen Spinzuständen, die jeweils, grob gesprochen, die Rolle der Elektronen (Störstellen) und die Rolle der Hintergrundsatome in Leiterbahnen simulieren. Dazu laden wir Atome aus einem Bose-Einstein Kondensat in künstliche, optische Gitterpotentiale, die den starken Einschluss in einer Dimension ermöglichen. Mit diesem System wollen wir ganz fundamental untersuchen, welche Leitungseigenschaften die Störstellenatome haben. So zum Beispiel könntenOszillationen auftreten, die durchdie Hintergrundsatome hervorgerufen werden und auf deren Quantenzustand hindeuten. Oder es kann zu nicht- klassischen Diffusionsprozessen oder gar zum Phänomen des Pinnings kommen, d.h. zu dem Übergang zu einem Isolator und der Lokalisierung der Störstellenatome aufgrund von sehr starker Wechselwirkung. Ein großer Vorteil, Quantendrähte mithilfe von ultrakalten Atomen zu simulieren, besteht in der Tatsache, dass man die Stärke und das Vorzeichen der Wechselwirkung, d.h. ob diese repulsiv oder attraktiv wirkt, einstellen kann. Damit kann man kontrolliert zwischen den unterschiedlichen Regimes des Quantentransports (Leitung vs. Nicht-Leitung) hin- und her wechseln und diese gezielt in Experiment und Theorie in Abhängigkeit von der Wechselwirkungsstärke untersuchen.

Bei Temperaturen nahe des absoluten Temperaturnullpunkts tritt für atomare Gase das Phänomen der Bose-Einstein Kondensation auf. Werden bosonische Atome weit genug gekühlt, so können sie sich alle in einer gemeinsamen Materiewelle vereinigen und sich wie ein makroskopisches Quantenobjekt verhalten. Diese Welle weist u.a. suprafluides Verhalten auf. Schließt man nun eine solche Welle räumlich stark ein, so werden Quanteneffekte verstärkt und sind dann besonders gut im Experiment sichtbar. Im Fall einer eindimensionalen Geometrie spricht man von einem atomaren Quantendraht. Unser kollaboratives Projekt, welches neben der Arbeitsgruppe in Innsbruck ein Team in Frank-reich an der Université Paris Sud involviert, zielte darauf ab, schon jetzt die Quanteneffekte zu identifizieren, die angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung in der Nanoelektronik in Quan-tendrähten der Zukunft eine Rolle spielen könnten. Dazu benutzen wir Atome in Potentialstrukturen aus Laserlicht, was effektiv das Verhalten von Elektronen (oder anderen Ladungsträgern) in einem Kristallgitter simuliert. Ein zentrales Ergebnis, welches wir bereits ganz zu Beginn des Projekts angesichts diverser Vorarbeiten im Wissenschaftsjournal "Science" publizieren konnten, war die Beobachtung von sogenannten Bloch-Oszillationen von Störstellenatomen, welche stark mit einem eindimensionalen Hintergrundgas wechselwirken. Bloch-Oszillationen treten auf, wenn eine Materiewelle wiederholt an einer periodischen Struktur gestreut wird. Bis dato konnten diese Oszillationen nur dann beobachtet werden, wenn ein Gitterpotential vorlag. In unserem Experiment wurde kein solches Potential vorgeben. Die Dichteverteilung des Hintergrundgases war homogen. Allerdings induzierte die starke Wechselwirkung Paarkorrelationen im Hintergrundgas, an welchen die Materiewelle der Störstellen kohärent gestreut werden konnte. Obiger Effekt tritt für den Fall einer beschleunigten Störstellen-Materiewelle auf. Erstaunlicherweise hatte unsere Kollaborationspartner aus Paris in Vorarbeiten auch für nichtbeschleunigte, d.h. für sich konstant bewegende Störstellen oszillatorisches Verhalten vorausgesagt. Wir haben es uns daher zum Ziel gesetzt, diesen "quantum flutter"-Effekt zu beobachten. Noch ist das uns nicht gelungen. Jener Effekt liegt am Rande unserer Nachweisgrenze. Wir hoffen, nach der derzeitigen Implementierung von empfindlicherer Nachweistechnik den Effekt in unserem Nachfolgeprojekt nachweisen zu können.