Magnetische Quantenkristalle — Science, magnetische Kristalle.

Magnetische Quantenkristalle — Science, magnetische Kristalle.

Magnetische Quantenkristalle - Science, magnetische Kristalle.

Magnetische Quantenkristalle

In Experimenten mit ultrakalten Rubidium-Atomen MPQ Wissenschaftler erzeugen magnetische Quantenkristalle aus gigantischen Rydberg-Atome.

Materialien mit einer definierten Kristallstruktur sind ein bekanntes Phänomen in der Physik kondensierter Materie. Ein Kristall weist eine regelmäßige Struktur aufgrund einer periodischen Wiederholung ihrer Bausteine. Die sich ergebende Geometrie ist abhängig von äußeren Parametern wie Druck und Temperatur, und noch stärker von der Art der Wechselwirkung zwischen den Bausteinen, beispielsweise die Coulomb-Kraft oder der van-der-Waals-Kraft. Zum ersten Mal ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Immanuel Bloch (Direktor am MPQ und Lehrstuhl für Experimentalphysik an der LMU), in Zusammenarbeit mit Theoretikern aus Dresden haben bei der Erzeugung von nicht komprimierbaren magnetische Quantenkristalle enthält mehrere hundert Rubidium-Atomen gelungen. Je nach Form des Kristalls und der Stärke der Magnetisierung unterschiedlichen Geometrien geformt werden. In diesen Experimenten ausbeuten die Wissenschaftler die extrem verbesserte Interaktionen zwischen hoch angeregten gigantischen Rydberg-Atomen, die einen Durchmesser tausendmal größer ist als Grundzustand Atome haben.

In ihrem Experiment bereiten die Wissenschaftler ein Ensemble von etwa 250 bis 700 Rubidium-Atomen in einem optischen Gitter — ein schachbrettartiges Muster aus dunklen und hellen Flecken durch quer Überlagerung erzeugt Laserwellen zu stehen. Die Anzahl der Atome und die Intensität des Laserstrahls so gewählt sind, dass jeder Gitterplatz mit genau einem Atom besetzt ist. Für eine erste Reihe von Messungen schneiden die Wissenschaftler ein linienförmiges Segment aus, für eine zweite Serie ein scheibenförmiges ein. Dieses Verfahren ähnelt dem Ausschneiden von Cookies aus flachen Teig — aber mit atomarer Präzision! Im nächsten Schritt wird die Probe mit Laserlicht ausgesetzt, die einzelne Atome zu einer sogenannten Rydberg-Zustand anregt. Hier wird die äußerste Schale Elektron in einem so großen Abstand von dem Atomkern befindet, dass der Radius des Atoms geblasen wird bis um einen Faktor von etwa 1000. Diese riesigen Rydberg-Atome stoßen einander sehr stark, selbst wenn sie durch einen großen Abstand getrennt sind, .

Eine interessante Frage ist, wie die Zahl der Rydberg-Atome im Laufe der Zeit entwickelt, wenn die Laserstrahlung verändert wird, und welche Art von Strukturen entstehen aufgrund der abstoßenden Wechselwirkungen zwischen ihnen. "Der Einfluss von Laserlicht auf den Zustand der Atome durch ein externes Magnetfeld in der klassischen Physik zur Magnetisierung der festen Kristalle verglichen werden," Dr. Christian Groß, Leiter des Projekts, erklärt. "Die Rubidium-Atome spielen die Rolle von kleinen Elementarmagneten, die zwei Orientierungen in Bezug auf das äußere Feld haben. Atome im Grundzustand entsprechen Magneten nach unten, das heißt mit dem Feld ausgerichtet sind, während die angeregten Rydbergatomen nach oben das Pendant zum Magneten weis sind."

Um einzelne Magnete Flip klassisch würde man beginnen, die Richtung des äußeren Feldes zu drehen. In der Quantenphysik Experiment verschieben sich die Wissenschaftler, die Frequenz des Pumplasers in der Resonanzfrequenz, gleichzeitig die Laserleistung ändert. Zu verschiedenen Zeiten wird die Strahlung abgeschaltet ist, und die "Status Quo" des Systems registriert. Mit der Technik der Fluoreszenzmikroskopie einzelne Atome Rydberg direkt abgebildet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Bildung des Kristalls auf mikroskopischer Ebene zu verfolgen.

Zusätzlich untersuchten die Forscher, wie das Verhalten mit der Größe des Systems verändert. Diese Messung zeigte einen schrittweisen Anstieg der Magnetisierung, Plateaus mit einer konstanten Anzahl von Rydberg-Atomen bis zu einem kritischen Systemgröße enthüllt — Beginn einer neuen Kristallstruktur. In den Plateaubereichen ist das System nicht komprimierbaren wie für einen Kristall erwartet. Für das langgestreckte System die Entstehung von kristallinen Zuständen in verschiedenen Schritten der Magnetisierung ist direkt ersichtlich. "Zu Beginn des Impuls beobachten wir delokalisierten Rydberg-Atomen in der gesamten Trübungscharakteristik für die magnetisch ungeordneten Phase in dieses Parameters Regimes." Peter Schauß sagt, bei dem Experiment Doktorand. "Nach einer gewissen Zeit sammeln sich die nach oben orientierten Magneten an den beiden Enden des länglichen Wolke. Die nächsten Schritte sind durch die Anordnung von weiteren Rydberg-Atomen dazwischen in regelmäßigen Abständen aus. Auf diese Weise waren wir in der Lage bis zu vier Rydberg-Atomen eindimensionale Kristalle von zu erzeugen. Die gemessenen Dynamik dieses Prozesses stimmen sehr gut mit der theoretischen Erwartung."

Ein ähnliches Verhalten wurde für den zweidimensionalen scheibenförmigen ensemble beobachtet. Wie vor der geometrischen Struktur des Kristalls austretenden war auf der Anzahl von Rydberg-Atomen eindeutig abhängig. "In der Tat finden wir eine deutliche Geometrie für jede Magnetisierungsstufe," Christian Groß betont. "Die räumliche Orientierung der resultierenden Quantenkristalle nicht festgelegt, sondern alle möglichen Orientierungen überlagert sind. Es ist die Messung, die die Orientierung bestimmt, die wir beobachten."

Die fragilen Quantenkristalle sind interessant, nicht nur für ihre Geometrie, sondern auch für ihre magnetischen Eigenschaften. Da die Wechselwirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen (die nach oben orientierten Magneten) extrem stark ist, und erstreckt sich über mehrere Gitterplätze gibt es immer ein paar Grundzustand Atome dazwischen. Dies ähnelt der Struktur der antiferromagnetische Materialien (beispielsweise: Mangan-Oxid MnO), wobei jedoch jede zweite Elementarmagneten zu seinem Nachbarn entgegengesetzt ausgerichtet sind.

In Anbetracht der kurzen Lebensdauer von Rydberg-Atomen — sie zerfallen nach ein paar zehn Mikrosekunden — die Erzeugung von unterschiedlichen Kristallphasen von wenigen Atomen ist eine erstaunliche experimentelle Erfolg möglich nur durch die ausgefeilte Methoden von hochpräzisen Lenkung entwickelt Atome in die Bloch-Gruppe. In Zukunft könnte diese Technik verwendet werden Quantenphasenübergänge und Langstrecken-Quantenmagneten zu erkunden. Die aufgezeigte Maß an Kontrolle über Rydberg Vielteilchensystemen ist auch ein wichtiger Schritt in Richtung Quanten Simulation dynamischer Eichtheorien in hoher enegry Physik.

Materialien zur Verfügung gestellt von Max-Planck-Institut für Quantenoptik . Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.

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