Physiker konnten erstmals das vor zwei Jahren vorhergesagte Phänomen eines quantenmechanischen Phasenübergangs experimentell beobachten. Es stellte sich heraus, dass sich seine Mechanismen in Abhängigkeit von der Stärke der Wechselwirkung zwischen den Teilchen des untersuchten Atomgases unterscheiden.
Schwache interatomare Wechselwirkung Partikel (gelb dargestellt) sind über ein optisches Gitter (weiß dargestellt) in einem superflüssigen Zustand (nahe Reihe) verteilt. Um sie zu ordnen, wird ein erhebliches Potential des optischen Gitters (ferne Reihe) benötigt.
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Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Innsbruck (Österreich) beobachtete das Verh alten von Cäsiumatomen im Zustand eines Bose-Einstein-Kondensats. Auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, wurden die Atome mithilfe eines optischen Gitters „aneinandergereiht“. Die dabei entstehenden eindimensionalen Strukturen werden „Quantendrähte“genannt. Ein solcher "Draht" ist so dünn, dass der Ladungstransfer darin von Quanteneffekten abhängig wird. Außerdem seien in einem solchen „eindimensionalen System“die Effekte der interatomaren Wechselwirkung stärker ausgeprägt als im dreidimensionalen Raum, sagt Hanns-Christoph Nägerl, der die Studie leitete. Die Verwendung eines externen Magnetfelds ermöglicht es, die Parameter eines Systems abzustimmen, das in einem optischen Gitter eingeschlossen ist. Dies ermöglicht eine Vielzahl präziser Forschungen auf dem Gebiet der Festkörper- und Festkörperphysik.
In diesem Fall haben Physiker einen Übergang vom superflüssigen Zustand (Luttinger-Flüssigkeit) in die dielektrische Phase nach Mott beobachtet. Das Experiment zeigte, dass der Mechanismus, durch den dieser Übergang auftritt, abhängig von der Stärke der Wechselwirkung zwischen den Teilchen des untersuchten ultrak alten atomaren Gases unterschiedlich ist.
Bei schwacher Wechselwirkung zwischen Bosonen wird der Übergang durch das Bose-Hubbard-Modell beschrieben. Um Atome in getrennten "Zellen" des optischen Gitters anzuordnen, war es notwendig, ein erhebliches Potential anzulegen.
Durch Anpassung der Wechselwirkungskraft zwischen Atomen fanden Wissenschaftler heraus, dass sie bei einer ausreichend starken gegenseitigen Abstoßung von Teilchen versuchen, eine Überlappung ihrer Wellenfunktionen zu vermeiden und ein geordnetes Tonks-Girardeau-Gas zu bilden. In diesem Fall reicht schon ein kleines Potential des optischen Gitters aus, um die Atome an bestimmten Orten zu „fixieren“. Eine notwendige Bedingung für die Manifestation dieses Effekts ist der durchschnittliche Abstand zwischen den Partikeln, der ungefähr gleich der Größe der "Zelle" des optischen Gitters ist.
Bei starker interatomarer Wechselwirkung wird das Bose-Hubbard-Modell zur Beschreibung des Systems ungeeignet und weicht der Sinus-Gordon-Gleichung, die eine exakte Lösung hat. Durch die Untersuchung von Phasenübergängen unter verschiedenen Bedingungen konnten die Wissenschaftler die beiden Modelle verknüpfen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Das beobachtete Phänomen wurde zwei Jahre zuvor von einer Gruppe theoretischer Physiker vorhergesagt, von denen zwei auch an der Universität Innsbruck arbeiten.
Laut einer Pressemitteilung der Universität Innsbruck
