Atombindung durch langreichweitige Abstoßung
Forschende haben Atome im Grundzustand mit stark angeregten Rydberg-Zuständen gekoppelt und so einstellbare, langreichweitige Wechselwirkungen in itineranten Quantensystemen realisiert.
Ein Forschungsteam am Max‑Planck‑Institut für Quantenoptik hat einstellbare, langreichweitige Wechselwirkungen zwischen Atomen realisiert. In der in Science veröffentlichten Studie erhöhten die Wissenschaftler die Lebensdauer des Systems im Vergleich zu früheren Experimenten um mehr als das Hundertfache. Dadurch konnten sie erstmals langreichweitige Rydberg-Wechselwirkungen in tunnelgekoppelten Quantensystemen mikroskopisch untersuchen. Das Team beobachtete dabei einen ungewöhnlichen Bindungsmechanismus zwischen zwei Atomen und seine Auswirkungen auf die Atomanordnung im optischen Gitter. Die Arbeit markiert einen Durchbruch in der atomaren Kontrolle von Quantensimulatoren und eröffnet neue Perspektiven für die Untersuchung von Quanten-Vielteilchen‑Systemen mit langreichweitigen Wechselwirkungen.
Langreichweitige Wechselwirkungen prägen unseren Alltag – die Erdgravitation hält uns am Boden, Magnete ziehen sich an oder stoßen sich über große Entfernungen ab, und elektrische Kräfte halten Moleküle zusammen. Die meisten dieser Beispiele lassen sich mit klassischer Physik erklären. In der Quantenwelt führen ähnliche Kräfte jedoch zu vielfältigen und komplexen Phänomenen. Das Verständnis und die Kontrolle solcher Wechselwirkungen auf mikroskopischer Ebene ist ein zentrales Ziel der modernen Physik.
Analoge Quantensimulatoren bieten dafür eine ideale und leistungsfähige Plattform. Ein besonders prominentes Beispiel nutzt ultrakalte Atome, die in optischen Gittern gefangen sind – periodischen Potentialen aus überlagerten Laserstrahlen, die der kristallinen Struktur von Festkörpern ähneln. Diese Systeme lassen sich durch das quantenmechanische Tunneln der Atome zwischen benachbarten Gitterplätzen beschreiben sowie durch die abstoßende Wechselwirkung, die auftritt, wenn zwei Atome denselben Platz besetzen – das sogenannte Hubbard-Modell.
Realisierung langreichweitiger Wechselwirkungen
Seit mehr als einem Jahrzehnt versuchen Forschende, das Hubbard‑Modell um langreichweitige Wechselwirkungen zu erweitern. In der vorliegenden Arbeit nutzten die Forschenden ultrakalte Rubidium‑Atome, die in einem optischen Gitter gefangen sind, und erzeugten langreichweitige Wechselwirkungen mit der sogenannten “Rydberg‑Dressing“-Methode (dt: Rydberg-Beimischung). Dabei koppelt ein Laser die Atome an einen stark angeregten Rydberg‑Zustand, der über ein großes elektrisches Dipolmoment verfügt. Dieser dipolare Charakter wird kohärent auf die Atome im Grundzustand übertragen und erzeugt langreichweitige Wechselwirkungen auf Mikrometer‑Skala, die mit optischen Gittern und der Quanten‑Gas‑Mikroskopie kompatibel sind.
Rydberg‑dressed-Wechselwirkungen wurden bereits untersucht, doch starke kollektive Verluste führten dazu, dass das Quantensystem schnell zusammenbrach. Das Team löste dieses Problem, indem Laserlicht pulsweise bzw. stroboskopisch anstatt kontinuierlich eingesetzt wurde. „Durch einen gepulsten Laser anstelle eines kontinuierlichen Strahls können wir langreichweitige Wechselwirkungen erzeugen und gleichzeitig die Lebensdauer des Systems dramatisch erhöhen“, erklärt Pascal Weckesser, Forschungsgruppenleiter und Erstautor. „Normalerweise werden kollektive Verluste durch das Laserlicht ausgelöst, aber da das Licht größtenteils ausgeschaltet ist, können wir die effektive Lebensdauer um mehr als den Faktor 100 im Vergleich zu früheren Studien verlängern. Das ist besonders spannend, weil die Forschungsgemeinschaft seit über einem Jahrzehnt versucht, ein Rydberg‑beigemischtes erweitertes Hubbard‑Modell zu realisieren.“
Unsichtbares sichtbar machen: Langreichweitige gebundene Zustände
Paarbindung durch langreichweitige Abstoßung: Erhöht man die langreichweitige Abstoßung von null (links) bis dominant (rechts), zeigt sich eine drastische Veränderung in der zeitlichen Entwicklung der mittleren Dichte (untere Panels). Ohne langreichweitige Wechselwirkungen tunneln die Teilchen frei und unabhängig (schematisch oben links), während bei starker Abstoßung die Atome gepaart sind und sich langsamer bewegen (schematisch oben rechts). Die Bindung entsteht durch die endliche Tunneling-Energie, die als „Tunneling-Filter“ wirkt: Sie unterdrückt die Einzelteilchendynamik, erlaubt aber langsameres Paar-Tunneling.
Eine faszinierende Vorhersage des erweiterten Hubbard‑Modells ist die Existenz sogenannter repulsiv gebundener Paare. Diese ungewöhnlichen Zustände treten auf, wenn langreichweitige Wechselwirkungen zwischen den Atomen die dominierende Energieskala des Systems bilden. Normalerweise können Atome in einem optischen Gitter zwischen benachbarten Gitterplätzen tunneln. Wirkt jedoch eine starke Abstoßung über größere Entfernungen, so können sich zwei Atome auf unerwartete Weise zusammenbinden – nicht durch Anziehung, sondern indem die kombinierte Energie des Paares über das Energieband der regulären Einzel-Teilchen-Tunneleffekte gehoben wird. Dieser kontraintuitive Effekt ist nur möglich, weil die Atome durch das äußere Potential des optischen Gitters eingeschlossen sind.
„Mit der Einzel-Gitter-Auflösung unseres Quantengas-Mikroskops konnten wir diese gebundenen Paare lokal erzeugen und ihre Bewegung direkt nachverfolgen“, erklärt Kritsana Srakaew, Doktorand und Zweitautor der Studie. „Zum ersten Mal konnten wir mikroskopisch den repulsiven Bindungsmechanismus bestätigen und die verlangsamte Ausbreitung des Paares durch das Gitter beobachten. Es war aufregend, diese Paare in Aktion zu sehen, da sie einen ganz neuen Weg eröffnen, vielseitige Phänomene zu untersuchen.“
Korrelationen in der Dichte‑Dichte‑Ordnung
Eine bemerkenswerte Folge dieser repulsiv gebundenen Paare ist ihre Fähigkeit, stark korrelierte Quantensysteme zu erzeugen. Ohne langreichweitige Wechselwirkungen können Atome in einem optischen Gitter frei wandern und sich beliebig anordnen, was zu einer weitgehend zufälligen Verteilung führt. Wird jedoch die repulsive, langreichweitige Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen schrittweise erhöht, lässt sich die Bildung gebundener Paare unterdrücken. Diese Einschränkung zwingt die Atome, ein geordnetes Muster anzunehmen, wodurch langreichweite Korrelationen ihrer Positionen entstehen.
„Zu Beginn unserer Arbeit war unklar, ob eine solche Dichte‑Ordnung in Rydberg‑beigemischten Quantensystemen überhaupt beobachtbar ist. Deshalb war es besonders spannend zu sehen, dass wir diesen Effekt eindeutig in einer kleinen eindimensionalen Anordnung demonstrieren konnten“, fasst Pascal Weckesser zusammen. Die Beobachtung wurde zusätzlich durch theoretische Berechnungen von Annabelle Bohrt und ihrer Gruppe an der Universität Regensburg gestützt.
„In Zukunft könnten diese einstellbaren langreichweiten Wechselwirkungen genutzt werden, um anpassbare Quanten-Spin-Modelle zu realisieren, etwa das transversale Feld-Ising-Modell“, erklärt Johannes Zeiher, Leiter der Forschungsgruppe. „Kombiniert mit der gezielten Vorbereitung beliebiger Anfangszustände in einer Spin-Kette können wir faszinierende Phänomene untersuchen – etwa das Brechen von Spin-Ketten oder Kollisionen von Domänenwänden.“
