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Teilchenphysik: Informationen aus Quantenrauschen gewonnen

Mithilfe einer Korrelationsanalyse ist es Mainzer Physikern um Immanuel Bloch gelungen, das Quantenrauschen in Bildern atomarer Gaswolken zu untersuchen und daraus Informationen über die ursprüngliche Anordnung der Atome zu gewinnen.

Die Wissenschaftler hatten dünne Wolken von Kalium-Atomen auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und in einem durch überlagerte Laserstrahlen erzeugten optischen Gitter gefangen. Neutrale Kalium-Atome halten sich als Fermionen an das Pauli-Prinzip, wonach identische Teilchen nicht zu mehreren denselben Quantenzustand besetzen können – sie sind also strikte Einzelgänger. In dem "Lichtkristall" ordnen sie sich entlang der Kristallachsen und bilden dadurch eine geordnete Struktur.

Quantenrauschen und OrdnungLaden...
Quantenrauschen und Ordnung | Werden die ultrakalten Atome nicht mehr im optischen Gitter festgehalten, bewegen sie sich auseinander (links). Korrelationen im Quantenrauschen verraten jedoch, wie sie ursprünglich angeordnet waren (rechts).
Wird das Laserlicht abgeschaltet, können sich die Atome wieder frei bewegen, und die Struktur zerfällt. Nach einer Weile haben sie sich so weit auseinander bewegt, dass eine Fotografie der Wolke nun das Quantenrauschen abbildet. Indem die Forscher in dem Rauschbild Korrelationen zwischen einzelnen Atomen bestimmten, konnten sie auf die vorangegangene Ordnung rückschließen.

1956 hatten Robert Hanbury Brown und Richard Twiss Korrelationen zwischen Photonen nachgewiesen und dabei erstmals das für Bosonen typische "Bunching" beobachtet – das bevorzugte gemeinsame Auftreten. Die Rauschkorrelationen erlaubten den Wissenschaftlern, Informationen über die Eigenschaften der Lichtquelle abzuleiten. Bloch und seinen Mitarbeitern ist es nun gelungen, das "Antibunching" – das Einzelgängertum – von Fermionen zu beobachten. So gibt es durch die ursprüngliche Anordnung in dem optischen Gitter in bestimmten Abständen zu einem Fermion kein weiteres. Die Methode sollte sich daher dazu eignen, auch komplexere Ordnungen von Atomen nachzuweisen. Vielleicht lassen sich damit beispielsweise Fragen rund um die Hochtemperatur-Supraleitung klären. (af)

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