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Quasiteilchen - Entstehung in Echtzeit beobachten

Quasiteilchen in ZeitlupeEntstehung von Quasiteilchen in Echtzeit beobachten

Bewegt sich ein Elektron in einem Festkörper, polarisiert es seine Umgebung. Die genaue Kenntnis der Wechselwirkung zwischen Elektron und Umgebung ist der Schlüssel zur Entwicklung zukünftiger noch leistungsfähigerer Elektronik-Bausteine.

Visualisierung der Entstehung eines Quasiteilchens. (Bild: Harald Ritsch / IQOQI)

Doch da diese Vorgänge in wenigen Attosekunden ablaufen, waren sie bisher experimentell kaum zu untersuchen. Mit einem Trick hat nun ein internationales Physiker-Team die Geburt eines Quasiteilchens aus Elektron und seiner Polarisationswolke studieren können.

Quasiteilchen gehören zu den wichtigsten Konzepten in der Physik kondensierter Materie. Bewegt sich beispielsweise ein Elektron in einem Festkörper, polarisiert es auf Grund seiner elektrischen Ladung seine Umgebung. Diese „Polarisationswolke“ bewegt sich zusammen mit dem Elektron, und beide gemeinsam können theoretisch als selbstständiges Quasiteilchen, als Polaron, beschrieben werden.

„Man kann das mit einem Skifahrer im Pulverschnee vergleichen“, sagt Rudolf Grimm, Professor an der Universität Innsbruck. „Der Skifahrer ist umhüllt von einer Wolke aus Schneekristallen. Gemeinsam bilden sie ein System, das andere Eigenschaften hat als der Skifahrer ohne Schneewolke.“

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Doch die Ausbildung solcher Quasiteilchen in Festkörpersystemen in Echtzeit zu beobachten, war bisher kaum möglich. Denn die Prozesse laufen in Zeiträumen von Attosekunden ab. Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde in etwa so wie eine Sekunde zum Alter des Universums.

Die Methode der Atomuhren

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Physikerinnen und Physiker der Technischen Universität München (TUM) und der Harvard University (USA) schlugen vor, die Methoden der hochgenauen Atomuhren zu nutzen, um mit ultrakalten Atomen eine Umgebung zu schaffen, in der die Bildung von Quasiteilchen quasi 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.

In einer Vakuumkammer erzeugten die Wissenschaftler dazu 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, d.h. 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“, sagt 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 Informationstechnologie oder für anspruchsvolle Bildgebungsverfahren in Medizin und Technik.“

Finanziell unterstützt wurden die Forscher vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF im Rahmen des Spezialforschungsbereichs FoQuS und des Doktoratskollegs Atome, Licht und Moleküle (ALM), der National Science Foundation (USA) sowie des Institute for Advanced Study der TUM, der Walter Haefner Foundation, der ETH Foundation und der Simons Foundation. Weitere Kooperationspartner des Projekts waren Forschende der Monash University (Australien) und der Universität Amsterdam.

Publikation:

Ultrafast many-body interferometry of impurities coupled to a Fermi sea: M. Cetina, M. Jag, R. S. Lous, I. Fritsche, J. T. M. Walraven, R. Grimm, J. Levinsen, M. M. Parish, R. Schmidt, M. Knap, E. Demler Science, Oct. 7, 2016: Vol. 354, Issue 6308, pp. 96-99 – DOI: 10.1126/science.aaf5134.

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