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Wien (öaw) - Die experimentelle Untersuchung von ultrakalter Quantenmaterie ermöglicht die Erforschung
von quantenmechanischen Phänomenen, die sonst kaum zugänglich sind. Einem Team um die Innsbrucker Physikerin
Francesca Ferlaino ist es nun erstmals gelungen, Quantengase aus den stark magnetischen Elementen Erbium und Dysprosium
miteinander zu vermischen und eine dipolare Quantenmischung zu erzeugen.
Noch vor wenigen Jahren schien es unmöglich, die Techniken zur Kühlung und Manipulation von ultrakalten
Teilchen auf Atome mit mehreren Valenzelektronen auszudehnen. Grund dafür sind die mit der Größe
zunehmende Komplexität und die unbekannten Streueigenschaften dieser Atome. Ein US-amerikanisches Forschungsteam
um Ben Lev von der Stanford University und eine österreichische Gruppe um Francesca Ferlaino an der Universität
Innsbruck haben diese Hürde überwunden und Quantengase aus Metallen der Seltenen Erden erzeugt. Sie verwenden
die stark magnetischen und bisher wenig erforschten Elemente Dysprosium und Erbium. Ferlainos Gruppe konzentriert
sich auf die Erforschung von Erbium und entwickelte einen leistungsfähigen, aber überraschend einfachen
Ansatz zur Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats. „Wir haben damit gezeigt, wie die Komplexität in der
Atomphysik neue Möglichkeiten eröffnen kann“, freut sich Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik
der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen
Akademie der Wissenschaften. Die Forschung an magnetischen Elementen gewinnt weltweit an Dynamik, da sich solche
Atome als ideale Plattform zur Erzeugung von dipolarer Quantenmaterie erwiesen haben, in der Teilchen über
eine weiträumige und orientierungsabhängige Wechselwirkung wie kleine Quantenmagnete miteinander interagieren.
Dipolare Quantenmaterie
In einer neuen Arbeit, die nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, berichtet
das österreichische Team über einen neuen Fortschritt auf dem Gebiet der dipolaren Materie. Sie haben
Erbium und Dysprosium miteinander vermischt und erstmals eine dipolare Quantenmischung erzeugt. „Wir haben die
Atomspektren dieser beiden Elemente sehr genau untersucht und uns überlegt, wie wir sie kombinieren und gleichzeitig
Quantenentartung erreichen können“, sagt Philipp Ilzhöfer, einer der beiden Erstautoren der Arbeit. „Es
zeigte sich, dass unser Schema noch besser als erwartet funktioniert, so dass wir ein System schaffen konnten,
in dem Bose-Einstein-Kondensate aus Erbium und Dysprosium koexistieren und miteinander wechselwirken“, ergänzt
Arno Trautmann, der andere Erstautor. Aufgrund der langreichweitigen Wechselwirkung zwischen den beiden Atomsorten,
eröffnet dieses Ergebnis neue Perspektiven im Bereich der dipolaren Quantenmaterie.
Die Forschung wurde in einem neuen Labor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) durchgeführt
und durch die Österreichische Akademie der Wissenschaften und einen Consolidator Grant des Europäischen
Forschungsrats (ERC) finanziell unterstützt. Die Arbeit wurde von den Herausgebern der Zeitschrift in Form
einer „Editor’s suggestion“ besonders empfohlen und im Online-Magazin Physics präsentiert.
Publikation: Dipolar Quantum Mixtures
of Erbium and Dysprosium Atoms. A. Trautmann, P. Ilzhöfer, G. Durastante, C. Politi, M. Sohmen, M. J. Mark,
and F. Ferlaino. Phys. Rev. Lett. 121, 213601
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.213601
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