Quantensimulatoren für die Kristallbildung

Die Quanteneigenschaften, die der Bildung von Kristallen zugrunde liegen, lassen sich mithilfe von ultrakalten Atomen nachbilden und erforschen. Ein Team um Dr. Axel U. J. Lode vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg beschreibt nun im Fachjournal „Physical Review Letters“, wie der Einsatz dipolarer Atome es ermöglicht, sogar Strukturen, die bislang bei keinem Material beobachtet wurden, zu konstruieren und präzise zu messen. An der theoretischen Studie waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Freiburg, der Universität Wien und der Technischen Universität Wien in Österreich sowie des Indian Institute of Technology in Kanpur in Indien beteiligt.

Kristalle existieren in der Natur in einer Vielzahl von Formen. Sie werden aus unterschiedlichsten Materialien gebildet – von Salz bis zu Schwermetallen wie Bismut. Ihre Strukturen entstehen, weil eine bestimmte regelmäßige Anordnung von Atomen oder Molekülen sich als vorteilhaft erweist, weil sie am wenigsten Energieaufwand benötigt. Beispielsweise ist ein Würfel mit acht Bausteinen – je einem an jeder Ecke – eine Kristallstruktur, die in der Natur oft vorkommt. Die Struktur des Kristalls bestimmt viele seiner physikalischen Eigenschaften, etwa wie gut er Strom oder Hitze leitet, wie er zerbricht oder wie er sich verhält, wenn er beleuchtet wird. Doch wodurch werden diese Strukturen bestimmt? Sie entstehen aufgrund der Quanteneigenschaften und der Interaktionen ihrer Bestandteile, die jedoch sind für die Wissenschaft oft schwierig zu verstehen und zu messen sind.

Um den Quanteneigenschaften, die die Bildung von Kristallstrukturen bestimmen, dennoch auf den Grund zu gehen, kann der Prozess mithilfe von Bose-Einstein-Kondensaten simuliert werden. Dabei handelt es sich um ultrakalte Atome, die eingefangen und nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius abgekühlt werden. Wissenschaftler können Atome in diesem künstlichen System extrem gut kontrollieren. Bei sorgfältiger Abstimmung verhalten sich die ultrakalten Atome, als wären sie Bestandteile, die einen Kristall bilden. Einen solchen Quantensimulator zu bauen und zu betreiben ist zwar anspruchsvoller, als einen Kristall aus einem Material zu züchten, doch die Methode bietet zwei wesentliche Vorteile: Zum einen sind die Eigenschaften der Bestandteile nahezu nach Belieben veränderbar, was bei herkömmlichen Kristallen nicht möglich ist. Zum anderen lassen sich aus den Bildern, die ein Quantensimulator macht, Informationen über alle Kristallbausteine gleichzeitig ablesen, wohingegen bei einem  konventionellen Kristall nur das Äußere sichtbar ist, während sein Inneres und vor allem dessen Quanteneigenschaften nur schwer zu erfassen sind.

Das Forschungsteam aus Freiburg, Wien und Kanpur beschreibt in seiner Studie, dass ein Quantensimulator für die Kristallbildung an Flexibilität gewinnt, wenn ultrakalte dipolare Atome dafür verwendet werden. Mit ihnen lassen sich nicht nur alle konventionellen Strukturen nachbilden – vielmehr ermöglichen sie es auch, Arrangements zu realisieren und zu erforschen, die bislang noch bei keinem Material beobachtet wurden. Die Studie erklärt, wie diese neuen Anordnungen im Zusammenspiel von Bewegungsenergie, potenzieller Energie und Wechselwirkungsenergie entstehen und wie die Strukturen und Eigenschaften der daraus resultierenden Kristalle mit bislang unerreichter Präzision gemessen werden können.

Originalpublikation:
Budhaditya Chatterjee, Camille Lévêque, Jörg Schmiedmayer, Axel U. J. Lode: Detecting One-Dimensional Dipolar Bosonic Crystal Orders via Full Distribution Functions. Physical Review Letters 125, 093602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.093602