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Heidelberg (idw) - In einer Studie zum Transport von Atomen in ultrakalten Gasen hat ein Team von Physikern
um Dr. Sandro Wimberger einen neuen Ansatz zu der Frage entwickelt, wie sich die Übertragung von Strom auf
atomarer Ebene realisieren lässt. Dies könnte für die Herstellung von logischen Bauelementen mit
fest definierten Funktionen auf der Basis einzelner Atome von besonderer Bedeutung sein und zum Beispiel in Transistoren
oder Dioden Anwendung finden. Die an der Universität Heidelberg durchgeführten Forschungsarbeiten sind
auf dem innovativen Feld der Atomtronics angesiedelt. Dabei geht es um das fundamentale Verständnis quantenmechanischer
Effekte im Vergleich zur klassischen Elektronik.
In einer Studie zum Transport von Atomen in ultrakalten Gasen hat ein Team von Physikern um Dr. Sandro Wimberger
einen neuen Ansatz zu der Frage entwickelt, wie sich die Übertragung von Strom auf atomarer Ebene realisieren
lässt. Dies könnte für die Herstellung von logischen Bauelementen mit fest definierten Funktionen
auf der Basis einzelner Atome von besonderer Bedeutung sein und zum Beispiel in Transistoren oder Dioden Anwendung
finden. Die am Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg durchgeführten Forschungsarbeiten
sind auf dem innovativen Feld der Atomtronics angesiedelt. Dabei geht es um das fundamentale Verständnis quantenmechanischer
Effekte im Vergleich zur klassischen Elektronik.
Neue experimentelle Möglichkeiten, ultrakalte atomare Gase gezielt zu kontrollieren, erlauben die Bottom-Up-Herstellung
und Untersuchung von logischen Bauelementen. Die Heidelberger Arbeitsgruppe von Dr. Wimberger befasst sich mit
dem Transport einzelner Atome durch eine Kette von sogenannten Potentialtöpfen. „In ganz anderen Größenordnungen
können wir uns einen leeren Eierkarton vorstellen, in dem Eier durch die einzelnen Vertiefungen von einem
Ende des Kartons zum anderen ,wandern‘“, so der Heidelberger Physiker. Die Atome verhalten sich bei diesen Untersuchungen
kohärent, das heißt, dass sie im dynamischen Transportverlauf einer gemeinsamen festen Regel folgen.
In diesem Fall ist ihr Verhalten komplett quantenmechanisch über die gesamte Kette der Potentialtöpfe
hinweg. Gleichzeitig wechselwirken jedoch die verschiedenen Atome miteinander, was den Transport von einem in den
nächsten Topf beeinflussen kann, wie Dr. Wimberger erläutert.
Analog zum Fließen von Elektronen in einem Festkörper, dem elektrische Spannung anliegt, arbeiten die
Heidelberger Wissenschaftler mit bosonischen Atomen aus einem großen Teilchenreservoir, die an ein Gitter
von Potentialtöpfen gekoppelt werden. Einzelne Bosonen fließen daraus über die Gitter-Kette zu
einem kleineren Reservoir von Teilchen ab, wobei Strom erzeugt wird. „Dieser Strom ist abhängig von den Eigenschaften
der Teilchenreservoire, vor allem aber von den Wechselwirkungen zwischen den Atomen“, sagt Anton Ivanov, der Erstautor
der Studie und ehemaliger Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Dr. Wimberger ist. Im Falle schwacher Wechselwirkung
ist der Stromfluss nach Angaben der Heidelberger Wissenschaftler direkt proportional zum Unterschied der Teilchenzahlen
in den beiden Reservoiren: Er steigt also mit der Teilchenzahldifferenz – die einer Spannung in einem elektrischen
Stromkreis entspräche – linear an. Bei starker Wechselwirkung streuen die Atome untereinander und blockieren
den Stromfluss, bis er ganz zum Erliegen kommt.
In ihrer Untersuchung verwendeten die Heidelberger Wissenschaftler einen analytischen Zugang, der durch numerische
Rechnungen weitgehend bestätigt wurde. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „European Physical
Journal“ veröffentlicht.
Originalpublikation:
A. Ivanov, G. Kordas, A. Komnik, S. Wimberger: Bosonic transport through
a chain of quantum dots, European Physical Journal B (5 August 2013), doi: 10.1140/epjb/e2013-40417-4
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