Mit Lasern manipulierte ultrakalte Atome erzeugten einen Laughlin-Zustand, eine eigenartige Quantenflüssigkeit, in der jedes Atom um seine Kongenere tanzt. Bildnachweis: Nathan Goldman
Die Entdeckung der Quanten-Hall-Effekte in den 1980er Jahren brachte neue Materieformen ans Licht, die als „Laughlin-Zustände“ bezeichnet werden, benannt nach dem amerikanischen Nobelpreisträger, der sie erfolgreich theoretisch charakterisierte.
Diese exotischen Zustände treten auf einzigartige Weise in zweidimensionalen Materialien auf, unter extrem kalten Bedingungen und wenn sie einem äußerst starken Magnetfeld ausgesetzt sind. In einem Laughlin-Zustand bilden Elektronen eine ungewöhnliche Flüssigkeit, in der jedes Elektron um seine Kongenere tanzt und diese so weit wie möglich meidet.
Die Anregung einer solchen Quantenflüssigkeit erzeugt kollektive Zustände, die Physiker mit fiktiven Teilchen assoziieren, deren Eigenschaften sich drastisch von denen von Elektronen unterscheiden: Diese „Anyonen“ tragen eine Bruchteilsladung (einen Bruchteil der Elementarladung) und widersetzen sich überraschenderweise der Standardklassifizierung von Teilchen in Bezug auf Bosonen oder Fermionen.
Seit vielen Jahren erforschen Physiker die Möglichkeit, Laughlin-Zustände in anderen Systemtypen als denen von Festkörpermaterialien zu realisieren, um deren besondere Eigenschaften weiter zu analysieren. Allerdings erwiesen sich die erforderlichen Zutaten (die 2D-Natur des Systems, das starke Magnetfeld, die starken Korrelationen zwischen den Partikeln) als äußerst herausfordernd.
Einschreiben NaturEin internationales Team um die Experimentalgruppe von Markus Greiner in Harvard berichtet über die erste Realisierung eines Laughlin-Zustands mithilfe ultrakalter neutraler Atome, die durch Laser manipuliert werden.
Das Experiment besteht darin, einige Atome in einer optischen Box einzufangen und die Zutaten zu implementieren, die für die Schaffung dieses exotischen Zustands erforderlich sind: ein starkes synthetisches Magnetfeld und starke abstoßende Wechselwirkungen zwischen den Atomen.
In ihrem Artikel enthüllen die Autoren charakteristische Eigenschaften des Laughlin-Zustands, indem sie die Atome einzeln durch ein leistungsstarkes Quantengasmikroskop abbilden. Sie demonstrieren den eigentümlichen „Tanz“ der Teilchen, die umeinander kreisen, sowie die gebrochene Natur des realisierten atomaren Laughlin-Zustands.
Dieser Meilenstein öffnet die Tür zu einem weiten neuen Feld der Erforschung von Laughlin-Zuständen und ihren Cousins (z. B. dem sogenannten Moore-Read-Zustand) in Quantensimulatoren. Die Möglichkeit, beliebige Objekte unter einem Quantengasmikroskop zu erschaffen, abzubilden und zu manipulieren, ist angesichts der Nutzung ihrer einzigartigen Eigenschaften im Labor besonders reizvoll.
Referenz: „Realisierung eines fraktionalen Quanten-Hall-Zustands mit ultrakalten Atomen“ von Julian Léonard, Sooshin Kim, Joyce Kwan, Perrin Segura, Fabian Grusdt, Cécile Repellin, Nathan Goldman und Markus Greiner, 21. Juni 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4