Untersuchung universeller Mehrteilchenphysik mit ultrakalten Cs-Atomen

Ultrakalte atomare Gase mit abstimmbarer Wechselwirkung haben einzigartige neue Möglichkeiten zur Untersuchung universeller Mehrteilchenphysik eröffnet. Der Efimov-Effekt stellt ein Paradigma für universelle Mehrteilchenphysik dar, und die neuen Modellsysteme, die nun durch ultrakalte Atome realisiert werden können, haben zur schnellen Entwicklung des neuen Forschungsgebiets der Mehrteilchenphysik mit ultrakalten Atomen geführt. Der vorliegende Projektantrag widmet sich universellen Mehrteilchen-Phänomenen in ultrakalten Cäsium-Gasen. Mit dieser atomaren Spezies konnten erstmals elementare Dreikörper- und Vierkörper-Phänomene experimentell beobachtet werden. Jedoch waren alle bisherigen Experimente an Cs auf die Region niedriger Magnetfelder (<100G) beschränkt, in der die interatomare Wechselwirkung nur in einem beschränkten Bereich abgestimmt werden kann. Nach einer wesentlichen technischen Erweiterung der Innsbrucker Cäsium-Apparatur steht nun die notwendige Infrastruktur zur Verfügung, Magnetfelder bis zu 1200G zu erzeugen. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten zu Abstimmung der Wechselwirkung durch zwei breite Feshbach-Resonanzen. Das neue Fenster zu Abstimmung der Wechselwirkung wird es ermöglichen, Mehrteilchen-Phänomene in neuen Regimen zu untersuchen, diese mit früheren Beobachtungen zu verbinden und so zentrale Fragestellungen von allgemeiner Bedeutung für das Arbeitsgebiet zu untersuchen. Das Projekt verfolgt dazu zwei Hauptlinien: " Mehrteilchen-Spektroskopie am atomaren Cäsium-Gas basiert auf der Messsung von Dreikörper-Rekombination (und Vierkörper-Rekombination) und hat das Hauptziel, die unbekannten Positionen von Efimov-Resonanzen und Rekombinationsminima zu bestimmen. Dadurch soll die Hypothese von einer universellen Verbindung zwischen diesen Phänomenen untersucht werden, um so die offene Frage einer möglichen Variation des sogenannten Dreikörper-Parameters zu beantworten. Die zentrale Frage ist dabei, ob die Kenntnis der s-Wellen-Streulänge alleine genügt, um verschiedene Mehrteilchen-Signaturen universell zu verbinden oder ob kurzreichweitige Wechselwirkungen zu komplizierteren Abhängigkeiten führen. " Untersuchung von Mehrteilchen-Phänomenen mit schwach gebundenen Cäsium-Dimeren. Ultrakalte Dimere und Atom-Dimer-Mischungen eröffnen komplementäre Zugänge zu Mehrteilchen-Phänomenen. Experimente zu Atom- Dimer-Resonanzen werden daher die Untersuchungen an Dreikörper-Phänomenen ergänzen. Darüber hinaus werden Experimente zu Dimer-Dimer-Wechselwirkungen die Beobachtung universeller Vierteilchen-Phänomene ermöglichen. Ein wichtiges Ziel ist dabei die erstmalige Beobachtung vorhergesagter resonanter Dimer-Dimer- Wechselwirkungen. Solche Vierkörper-Resonanzphänomene waren bisher experimentell nicht zugänglich. Für beide Projektlinien bieten Cäsium-Atome wesentliche Vorteile gegenüber anderen Spezies. Zur magnetischen Abstimmung der Wechselwirkungen bietet Cs eine Kombination von drei breiten Feshbach-Resonanzen im selben Spin-Kanal. Darüber hinaus ist die reiche molekulare Struktur von Cs besonders gut geeignet zur Präparation von Dimer-Gasen und Atom-Dimer-Mischungen.

Im Jahre 1970 sagte der russische Physiker Vitali Efimov die Existenz von Drei-Teilchen-Quantenzuständen mit höchst merkwürdigen Eigenschaften voraus. So sollte es seiner Theorie nach eine unendliche Leiter von immer größer werdenden Zuständen geben und eine Dreierbindung sollte möglich sein, auch wenn das System für eine Zweierbindung zu schwach ist. Damals wurden Efimovs Vorhersagen zunächst angezweifelt, doch heute hat sich aus ihnen ein neues Forschungsgebiet entwickelt, welches im Synergiebereich von Quanten-Vielteilchenphysik, Molekül- und Kernphysik und auch ultrakalter Physik angesiedelt ist.Experimentell wurden Efimovs mysteriöse Quantenzustände erstmals im Jahre 2006, d.h. 36 Jahre nach ihrer Vorhersage, nachgewiesen. Die Experimente an der Universität Innsbruck basieren auf extrem kalten Cäsium-Gasen mit Temperaturen von nur 10 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, gespeichert in Fallen aus Laserlicht. Wenn sich hier Efimov-Zustände bei ganz bestimmten Magnetfeldstärken bilden, können die Teilchen aus der Laserfalle entkommen. Dies führt zu charakteristischen Verlustresonanzen, die dann als experimentelle Fingerabdrücke von Efimov-Zuständen auftreten.Das abgeschlossene Forschungsprojekt hat sich zentralen Fragestellungen gewidmet, die in bisherigen Experimenten ungeklärt blieben. So wurde untersucht, wovon die Größe des ersten Efimov-Zustands in der unendlichen Serie abhängt. Als bestimmend wurde die Stärke der van-der-Waals-Anziehung zwischen den Atompaaren identifiziert. Diese Frage war zuvor in der Literatur kontroversiell diskutiert worden, und die experimentellen Ergebnisse führten zu weiteren theoretischen Untersuchungen und schließlich zu einem tieferen Verständnis des Problems. Ein weiterer großer Durchbruch gelang durch eine präzise Bestimmung der Efimov-Periode, d.h. des charakteristischen Faktors für den Größenunterschied aufeinanderfolgender Efimov-Zustände. Die theoretische Erwartung eines Faktor 22.7 konnte mit dem Messergebnis 21.0 (und einer Unsicherheit von 1.3) im Wesentlichen bestätigt werden, doch deutet das Ergebnis auch auf eine mögliche Abweichung zu kleineren Werten in real existierenden atomaren Systemen hin.Das Forschungsprojekt konnte ganz wesentlich zum Verständnis von Efimov-Zuständen beitragen und hat damit auch eine wichtige konzeptionelle Brücke zwischen einfachen Zwei-Körper-Systemen und komplexeren Quanten-Vielteilchensystemen geschlagen.