Innsbrucker Physiker beobachten Geburt von Quasiteilchen in Echtzeit

7. Oktober 2016, 10:03
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Experimente an ultrakaltem Quantengas ermöglichen Blick auf Vorgänge, die normalerweise viel schneller ablaufen

Innsbruck/Wien – Die Entstehung Quasiteilchen in einem Festkörper dauert nur Attosekunden und kann im Labor kaum beobachtet werden. Nun aber ist es Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm gemeinsam mit einem internationalen Team von Theoretikern mithilfe eines neuen Versuchsaufbaus gelungen, die Geburt von sogenannten Polaronen durch Experimente an einem ultrakalten Quantengas in Echtzeit simuliert.

Quasiteilchen sind keine eigenständigen Elementarteilchen, sondern vielmehr Zustände oder Eigenschaften eines wechselwirkenden Teilchens mit seiner Umgebung. Ihre Bezeichnung stammt vom russischen Physiker Lew Landau (1908-1968), der von Elektronen ausging, die sich durch einen Festkörper bewegen und diesen dabei verzerren. Das ganze Objekt, also Elektron und Verzerrung, kann dabei als Quasiteilchen beschrieben werden.

Ein Problem mit diesen Gebilden ist, dass ihre Bildung sehr schnell vor sich geht: Bei einem sogenannten "Fermi-Polaron" – einer speziellen Art der Quasiteilchen – in einem Festkörper dauert das nur etwa 100 Attosekunden, also 100 Milliardstel von einem Milliardstel einer Sekunde. "Es passiert also wahnsinnig schnell, dass sich diese Art Polarisationswolke um die einzelnen Elektronen herum bildet – normalerweise zu schnell, um es beobachten zu können", sagte Rudolf Grimm vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck.

Langsame Quasiteilchengeburt

"Unser Trick ist, dass wir uns die gleiche Physik mit einem anderen System anschauen", erklärte der Forscher. Ein solches Polaron entsteht nämlich auch, wenn sich unter bestimmten Bedingungen ein Kalium-Atom durch ein nur knapp über dem absoluten Nullpunkt (bei minus 273 Grad Celsius) abgekühltes Quantengas aus Lithium bewegt und abstoßend auf die umgebenden Lithium-Atome wirkt. Der Vorteil hier: Aufgrund der geringeren Dichte ist auch weniger Energie im System und entsprechend langsamer läuft die "Geburt" ab. "Die Polaronen bilden sich dann in zehn bis 20 Mikrosekunden, also 20 Millionstel Sekunden, aus", sagte Grimm.

Das stelle zwar immer noch eine große Herausforderung für die Messung dar, trotzdem ist es Grimms Team in Zusammenarbeit mit Theoretikern der Harvard University, der TU München und der Monash University in Australien gelungen, den Vorgang in Echtzeit nachzuvollziehen. Durch die extrem schnelle Verschiebung einer magnetischen Resonanz mittels Laserlicht fanden die Wissenschafter "den entscheidenden Trick", wie die Messung zeitlich derart hochauflösend gelingt.

Neues Fenster

Obwohl alles so unglaublich schell geht, zeigte sich, dass der Prozess eine gewisse Zeit zum Anlaufen braucht. Dann werden die Geburtswehen schnell stärker, "dann gibt es eigentümliche Schwingungen und letztendlich geht das Ganze in einen stationären Bereich über – das Quasiteilchen hat sich formiert und befindet sich in einem Gleichgewicht. Das ist einfach ein komplett neues Fenster, in das man hineinschauen kann", erklärte Grimm.

Klarerweise handle es sich hier noch um absolute Grundlagenarbeit. In einer aktuellen Arbeit haben aber Kollegen herausgefunden, dass diese Art der Polaronen auch in echten Festkörpersystemen auffindbar sind. Mit solchen Phänomenen müsse man sich in Zukunft noch stärker auseinandersetzen, wenn es darum geht, neue, sehr schnelle Schaltkreise in Halbleitermaterialien zu entwickeln, so der Experimentalphysiker. (APA, red, 7.10.2016)

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