Physiker analysieren Atombewegungen in Bose-Einstein-Kondensaten

Urbana (USA) - Thermische Schwankungen auf atomarer Ebene üben einen Einfluss auf die Supraleitung dünner Nanodrähte aus. Die Folge: Die Supraleitung kann zusammenbrechen und ein messbarer elektrischer Widerstand tritt auf. Doch auch in extrem kalter Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt können Störeffekte durch winzige Phasenänderungen vorkommen. Amerikanische Physiker untersuchten diese Quanteneffekte nun exemplarisch an einem speziellen Ensemble aus Atomen, einem Bose-Einstein-Kondensat. Ihre Ergebnisse, die zu einem besseren Verständnis von suprafluiden Systemen und metallischen Phasen in Nanometer dünnen Materialien führen könnten, präsentieren sie in der Zeitschrift "Nature".

"Wir untersuchen den Transport von ultrakalten Atomen, die in einem optischen Gitter eingefangen sind", schreiben Brian DeMarco und seine Kollegen von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Dazu erzeugten sie zuerst ein fast auf -273 Grad abgekühltes Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-87-Atomen, dass sie mit einer magnetischen Falle kontrollierten. Je drei oder weniger Atome überführten sie danach in ein optisches Raumgitter. Dieses bauten sie aus drei Paaren senkrecht aufeinander ausgerichteter Laserstrahlen auf.

Durch eine winzige, sieben Millisekunden dauernde Änderung des Magnetfelds regten sie die Atome zu einer Bewegung an. Kurz darauf schalteten sie sowohl das Magnetfeld als auch die optische Falle aus. Das tiefkalte Ensemble der Rubidium-Atome konnte sich dadurch frei ausbreiten. Genau diese Ausbreitungsgeschwindigkeit der Atome bestimmten die Physiker. Die Ergebnisse zeigten, dass innerhalb von 200 Millisekunden diese Geschwindigkeit periodisch von etwa 1,5 auf deutlich unter 0,2 Millimeter pro Sekunde gedämpft wurde. "Das Verhalten bei tiefen Temperaturen ist konsistent mit der Theorie des Quantentunnelns von Phasenveränderungen", erläutern DeMarco und Kollegen den Vergleich mit theoretischen Voraussagen.

Die Ergebnisse dieses Experiments helfen dabei, die Grenzen der atomaren Bewegung und möglicher Phasenveränderungen bei extrem tiefen Temperaturen auszuloten. DeMarco und Kollegen sehen darin eine gute Grundlage, Störeffekte in supraleitenden Nanodrähten oder in suprafluidem Helium besser zu verstehen. Da supraleitende Nanostrukturen auch für den Aufbau von Quantenbits geeignet sind, könnte die gedämpfte Bewegung von Atomen auch von Bedeutung für zukünftige Quantencomputer sein.