Paar­bil­dung im zwei­dimen­sio­na­len Fermi-Gas

In einem bereits bekannten und gut verstan­denen Szenario wird die Paar­bildung allein durch die Attrak­tion zwischen zwei Fermionen verursacht (grüne Linien). Bei starken Wechsel­­wirkungen zwischen den Fermionen findet jedoch eine andere Art der Paar­bildung statt, die stark von der Dichte des umlie­genden Mediums abhängt (graue Wolken). Demnach ist in diesem Zustand jedes Teilchen nicht nur mit einem anderen Teilchen gepaart, sondern es gibt zusätz­lich weitere Korrela­tionen mit anderen Teilchen in der Umgebung. (Bild: P. Murthy)

Mithilfe ultrakalter Atome haben Wissen­schaftler der Universität Heidelberg einen exoti­schen Materie­zustand nachgewiesen. Dabei bilden die zugrunde­liegenden Teilchen Paare, wenn ihre Bewegung auf zwei Dimen­sionen beschränkt wird. Diese Erkennt­nisse aus der Quanten­physik könnten wichtige Hinweise liefern, um Phänomene der Supra­leitung besser zu verstehen.

Die technologisch besonders interessante Klasse der Hoch­­temperatur­­supra­­leiter mit ihren ungewöhnlich hohen Sprung­­tempera­turen ist noch nicht vollständig verstanden. Erwiesen ist allerdings, dass eine bestimmte Sorte von Teilchen – die Fermionen – notwen­diger­­weise Paare bilden müssen, um supra­leitend werden zu können. Wie zudem bekannt ist, haben viele Materialien, die supra­­leitende Eigen­schaften bei ver­gleichs­weise hohen Tempe­ra­turen aufweisen, eine geschichtete Struktur. „Dies bedeutet, dass die Bewegung der Elek­tronen in derartigen Quanten­­systemen effektiv auf zwei Dimensionen beschränkt ist“, so Projektleiter Selim Jochim vom Physika­lischen Institut der Universität Heidelberg. „Offen war bisher jedoch die Frage, wie die Paar­bildung im Verbund mit der Zwei­­dimensio­­nalität zu höheren Sprung­tempera­turen führen kann.“

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, wurden am Zentrum für Quanten­­dynamik Experimente mit ultrakalten Atomen durchgeführt. Diese Atome wurden dabei in zweidimen­­sionalen, durch einen fokus­sierten Laser­strahl erzeugten Fallen gefangen. „In Festkörpern, wie etwa Kupferoxiden, gibt es viele konkur­­rierende Effekte und zudem Unrein­­heiten, die diese Materi­alien schwer beschreibbar machen. Daher nutzen wir ultra­kalte Atome, um das Verhalten von Elektronen in einem Fest­körper zu simulieren. Wir sind damit in der Lage, sehr reine Proben zu erzeugen, und haben volle Kontrolle über die entschei­denden Parameter des Systems“, erklärt Puneet Murthy vom Zentrum für Quanten­­dynamik der Univer­sität Heidelberg.

Zum Einsatz kam bei diesen Experimenten eine Technik, die unter dem Namen Radio­frequenz­spektro­skopie bekannt ist. Damit untersuchen die Wissen­­schaftler, wie Atome auf einen Radio­frequenz­puls ansprechen. Auf diese Weise konnten sie genau feststellen, wann und in welcher Form es zu einer Paar­bildung kam. Die Messungen wurden zudem für verschiedene Wechsel­­wirkungs­­stärken zwischen den Fermionen durchgeführt. Bei diesen Unter­suchungen stießen die Forscher auf einen exotischen Materie­­zustand. Aus der Theorie ist bekannt, dass schwach wechsel­wirkende Fermionen bei derselben Temperatur Paare bilden sollten, bei der sie auch supra­leitend werden. Als jedoch die Wissen­schaftler die Stärke der Wechsel­­wirkungen in den Experi­­menten erhöhten, beobachteten sie, dass bei starker Wechsel­­wirkung die Paar­bildung bereits bei einem Vielfachen der Sprung­temperatur erfolgte.

„Langfristiges Ziel unserer Forschung ist es, ein tieferes Verständnis dieser Phänomene zu erlangen. Dafür starten wir mit kleinen Systemen, die wir Atom für Atom zusammen­setzen“, sagt Jochim. An den Forschungs­arbeiten waren auch Wissen­­schaftler des Instituts für Theore­tische Physik sowie Forscher der Simon Fraser University in Vancouver (Kanada) beteiligt. (Quelle: RKU / pro-physik.de)

Referenz: P. A. Murthy et al.: High Temperature Pairing in a strongly interacting two-dimensional Fermi gas. Science, online 21. Dezember 2017; DOI: 10.1126/science.aan5950

Link: Ultracold Quantum Gases Group (S. Jochim), Physikalisches Institut, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Speak Your Mind

*