Studie: Atomare Verunreinigung ähnlich wie bei Edelsteinen dient als Quanten-Informationsspeicher

Die beiden Physiker Professor Dr. Artur Widera (rechts) und sein Doktorand Felix Schmidt erforschen ... (Foto: TUK/Koziel)

Für die Farben von Edelsteinen oder die Leistungsfähigkeit moderner Halbleiter sind Verunreinigungen in Materialien ursächlich. Ähnliches gilt für Quantensysteme, wo es aber kaum erforscht ist. Erstmals konnten Kaiserslauterer Physiker kontrolliert einzelne Verunreinigung aus Cäsium-Atomen in einem ultrakalten Quantengas aus Rubidium-Atomen einbringen. Sie haben beobachtet, wie die Verunreinigungen quantenmechanische Anregungen (Spin) mit dem Gas ausgetauscht haben. Zudem haben sie gezeigt, dass Cäsium-Atome Quanten-Information speichern können. Dies war bislang nicht möglich. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen.

Verunreinigungen aus einzelnen Atomen wie bei Edelsteinen gibt es auch bei anderen Materialien und Werkstoffen. Auch in der Quantenphysik sind sie für verschiedene Effekte verantwortlich und daher für Experimente interessant. An der TUK haben Physiker um Professor Dr. Artur Widera und seinen Doktoranden Felix Schmidt nun erstmals beobachtet, wie sich solche Verunreinigungen in einem Bose-Einstein-Kondensat bei Rubidium-Atomen verhalten. „Damit bezeichnet man in der Physik einen Zustand von Materie, der vergleichbar mit flüssigen und gasförmigen Zuständen ist. Allerdings ist ein solches Kondensat ein perfekter quantenmechanischer Zustand, der sich wie eine Welle verhält“, sagt Professor Widera, der das Lehrgebiet Individual Quantum Systems leitet. Für Physiker sei das Bose-Einstein-Kondensat ein beliebtes Modell, um Quanten-Effekte zu untersuchen – ähnlich wie die Fruchtfliege Drosophila in der Biologie und Medizin als Modellorganismus dient, um etwa genetische Fragestellungen zu beantworten.

In ihrer aktuellen Studie haben die Kaiserslauterer Physiker eine solche Verunreinigung in Quantengas untersucht. Dabei kühlen sie es auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts von -273,15° Celsius ab. „Auf diese Weise können wir ein quantenmechanisches System kontrollieren“, sagt Erstautor Felix Schmidt. Als Verunreinigung haben die Forscher Cäsium-Atome eingesetzt. Auf rund 10.000 Rubidium-Atome sind dabei fünf bis zehn Cäsium-Atome gekommen. „Das System lässt sich unter einem Mikroskop untersuchen. Das ultrakalte Gas hat eine Größe von zehn Mikrometern“, fährt der Doktorand fort. So haben die Forscher einzelne Verunreinigungen lokalisiert und die Änderung ihrer Struktur, des sogenannten Spins, durch die Wechselwirkung mit dem Quantengas beobachtet. „Bislang war es nicht möglich, einzelne Atome in einem solchen Gas zu beobachten. Es freut uns, dass es uns im Experiment gelungen ist“, sagt Schmidt.

Weiterhin haben die Forscher überprüft, ob sich die Cäsium-Atome als Informationsspeicher nutzen und gleichzeitig im Quantengas kühlen lassen. „Damit Atome Information speichern, muss ihr elektronischer Zustand erhalten bleiben“, erläutert Widera. „Da es aber im Kondensat mit den anderen Atomen zu Wechselwirkungen kommt, besteht das Risiko, dass sie durch Stöße die empfindlichen Informationen verlieren.“ Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, die Atome stark in dem Quantengas zu kühlen, ohne dass Quanten-Informationen verloren gehen.

„Das Modell aus einzelnen Verunreinigungen in einem ultrakalten Gas realisiert ein Paradigma der Quantenphysik“, sagt Professor Widera. „Es kann als Ausgangspunkt für eine Vielzahl anderer Quanten-Experimente dienen.“ Insbesondere helfen die Erkenntnisse der Kaiserslauterer Wissenschaftler, besser zu verstehen, was auf der Quantenebene geschieht. Dies könnte zum Beispiel künftig eine Rolle spielen, um etwa Supraleiter zu verstehen und neue Materialien zu entwickeln. Supraleiter könnten Strom ohne großen Energieverlust bei normaler Umgebungstemperatur über weite Strecken transportieren. Bislang ist dies nur bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt möglich.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht: „Quantum spin dynamics of individual neutral impurities coupled to a Bose-Einstein condensate.“ Felix Schmidt, Daniel Mayer, Quentin Bouton, Daniel Adam, Tobias Lausch, Nicolas Spethmann, and Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera und sein Doktorand Felix Schmidt forschen zu Quantensystemen. Die Physiker arbeiten dabei auch am Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS) interdisziplinär mit Arbeitsgruppen aus Chemie, Maschinenbau und Verfahrenstechnik sowie Elektrotechnik und Informationstechnik zusammen, um Grundlagen in die Anwendung zu überführen.