Quasiteilchen gehören zu den wichtigsten Konzepten in der Physik kondensierter Materie. Die Polarisationswolke, die durch die Bewegung eines Elektrons in einem Festkörper entsteht, bewegt sich zusammen mit dem Elektron, und beide gemeinsam können theoretisch als selbstständiges Quasiteilchen (Polaron) beschrieben werden.
Physiker der Technischen Universität München sowie der Universitäten Harvard (USA) und Monash (Australien) schlugen vor, die Methoden der hochgenauen Atomuhren zu nutzen, um mit ultrakalten Atomen eine Umgebung zu schaffen, in der die Bildung von Quasiteilchen in Zeitlupe abläuft. Der Gruppe um Rudolf Grimm am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gelang es, unter diesen Bedingungen präzise kontrollierbare Vielteilchenzustände zu erzeugen. Damit ist es erstmals möglich, das Entstehen von Quasiteilchen in Echtzeit zu studieren.
Teilchen-Geburt in Zeitlupe
In einer Vakuumkammer erzeugten die Wissenschaftler ein ultrakaltes Quantengas aus vielen Lithiumatomen und wenigen Kaliumatomen. Für beide Atomsorten verwendeten sie Isotope, die als Fermionen den gleichen fundamentalen Charakter wie Elektronen haben. Über Magnetfelder ließen sich deren Wechselwirkung einstellen und auf diese Weise Fermi-Polaronen erzeugen - Kaliumatome, die von einer Wolke aus Litihum umhüllt werden.
„Während die natürliche Zeitskala solcher Quasiteilchen im Festkörper bei 100 Attosekunden liegt, dauert die Entstehung der Polaronen in einem solchen System einige Mikrosekunden“, erklärt Michael Knap, Professor für Kollektive Quantendynamik an der TU München. „Die neue Methodik eröffnet damit einen neuen Weg, die Vorgänge in elektronischen Bausteinen besser zu verstehen. Wichtig ist dieses Verständnis beispielsweise für die Elektronik der IT oder für anspruchsvolle Bildgebungsverfahren in Medizin und Technik.“
Hier finden Sie den Forschungsbericht aus dem Science Magazineauf Englisch.
