Physiker um Hanns-Christoph Nägerl von der Universität Innsbruck haben erstmals einen Pinning-Quantenphasenübergang in eindimensionalen Quantendrähten beobachten. Dabei gehen die beteiligten Atome von einem ungeordneten in einen geordneten Zustand über.

Ultrakalte Atome (gelb) in optischen Gittern (weißer Untergrund) ermöglichen die Beobachtung von quantenmechanischen Phasenübergängen. © Uni Innsbruck

Ausgehend von einem Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen bildeten die Wissenschaftler am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck zunächst in einem optischen Gitter aus Laserlicht eindimensionale Strukturen. In diesen sogenannten Quantendrähten sind die einzelnen Atome nebeneinander aufgereiht und werden vom Laserlicht daran gehindert, diese Reihe zu verlassen. Über ein externes Magnetfeld können die Physiker die Wechselwirkung zwischen den Atomen sehr präzise einstellen.

Den Innsbrucker Physikern ist nun die Beobachtung des sogenannten „Pinning-Übergangs“ von einem supraflüssigen Zustand („Luttinger-Flüssigkeit“) in einen Zustand, in dem die Atome an einem Ort lokalisiert sind („Mott-Isolator“), gelungen. In ihrem Experiment konnten sie zeigen, dass bei hinreichend starker Wechselwirkung der Atome das Anlegen eines zusätzlichen, beliebig schwachen optischen Gitters längs des Quantendrahtes ausreicht, um die zuvor ungeordneten Atome an ihrem Ort festzuheften („pinning“).

Ein kleiner Anstoß genügt
Die Atome sind dabei nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt und befinden sich quantenphysikalisch in ihrem Grundzustand. „Es ist keine thermische Änderung, die diesen Phasenübergang bewirkt“, betont Doktorand Elmar Haller, der Erstautor der Studie, die nun in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist. „Vielmehr sind die Atome bereits durch die starke, abstoßende Wechselwirkung vorbereitet und brauchen nur noch einen kleinen Schubs, um sich in dem optischen Gitter regelmäßig anzuordnen“, erklärt Haller. Wird das optische Gitter wieder entfernt, springen die Atome erneut in den supraflüssigen Zustand.

Das von den Experimentalphysikern erstmals beobachtete Phänomen wurde vor einigen Jahren von drei Theoretikern vorhergesagt, mit Wilhelm Zwerger und Hans Peter Büchler stammen zwei von ihnen ebenfalls aus der Innsbrucker Schule der Quantenphysik.


Die Originalpublikation: Pinning quantum phase transition for a Luttinger liquid of strongly interacting bosons. Elmar Haller, Russell Hart, Manfred J. Mark, Johann G. Danzl, Lukas Reichsöllner, Mattias Gustavsson, Marcello Dalmonte, Guido Pupillo, Hanns-Christoph Nägerl. Nature, 29. Juli 2010. doi: 10.1038/nature09259