Verknotete Quantenmaterie

Exotisches Experiment mit einer tiefgekühlten Wolke aus Rubidiumatomen kann zu neuen Impulsen für die Entwicklung von Quantencomputern führen
Modell eines Quantenknotens aus in sich geschlossenen und ineinander verschachtelten Ringstrukturen (künstlerische Illustration)
Modell eines Quantenknotens aus in sich geschlossenen und ineinander verschachtelten Ringstrukturen (künstlerische Illustration)
© Riikka Partanen
Otaniemi (Finnland) - Lose Seilenden lassen sich einfach miteinander verknoten. In der Quantenwelt sind verknotete Strukturen allerdings alles andere als alltäglich. Nun gelang es einer finnisch-amerikanischen Physikergruppe, die ersten Knoten in einer Quantenmaterie überhaupt zu knüpfen. Über ihr wegweisendes Experiment, das auch der Entwicklung von Quantencomputern neue Impulse geben könnte, berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

„Mit diesen allerersten Quantenknoten legen wir eine fundamentale Basis für knotenbasierte Quantenanwendungen“, sagt Mikko Möttönen von der Aalto Universität. Zusammen mit Kollegen vom amerikanischen Amherst College fing er zuerst eine Wolke aus mehr als 100.000 tiefgekühlten Rubidium-87-Atomen in einer Falle aus Lichtfeldern ein. Dieses Bose-Einstein-Kondensat setzten sie einem asymmetrischen Magnetfeld mit einer Quadrapol-Struktur, aufgebaut von vier statt zwei magnetischen Polen, aus. Dabei lag der Nullpunkt dieses Magnetfelds etwa 35 millionstel Meter vom Zentrum der Rubidium-Wolke entfernt.

Für dieses grundlegende Experiment mit tiefgekühlten Atomwolken wollten die Physiker jedoch keine Knoten wie in einen Faden knüpfen. Sie orientierten sich eher an der exakten mathematischen Definition. Anders als bei Bindfäden mit losen Enden bilden diese Knoten dreidimensionale, topologische Strukturen von in sich geschlossenen und ineinander verschachtelten Bändern.

Um nun einen Quantenknoten zu erzeugen, veränderten Möttönen und Kollegen das Magnetfeld derart, dass der Nullpunkt exakt in der Mitte des Bose-Einstein-Kondensats zu liegen kam. Auf diese schnelle Änderung konnte die Atomwolke nur schwer reagieren. Innerhalb von etwa 500 Mikrosekunden kam es verblüffenden Effekten in der magnetischen Struktur der Atomwolke. Es bildeten sich Wellenpakete, sogenannte Solitonen aus, die in sich geschlossen und ineinander verschachtelt waren. „Ein Soliton-Knoten besteht dabei aus einer unendlichen Anzahl von Ringen, jeder mit den anderen verbunden und eine toroidale Struktur bildend“, erläutern die Forscher.

„Mit dieser Methode konnten wir einige hundert solcher Knoten knüpfen“, sagt Koautor der Studie, David Hall vom Amherst College. Zur Bestätigung dienten Mikroskopaufnahmen, die die Atomdichte in der Atomwolke mit hoher räumlicher Auflösung sichtbar machten. Die Bilder zeigten – in Übereinstimmung mit theoretischen Modellen – eine Intensitätsverteilung, die sich mit miteinander verknüpften Ringen erklären ließ.

In weiteren Versuchen wollen die Forscher die Dynamik, die Stabilität und die Wechselwirkung zwischen einzelnen Soliton-Knoten untersuchen. Sollte eine Stabilisierung dieser exotischen Quantenstrukturen gelingen, könnten – so die Erwartung von Möttönen und Kollegen - diese dreidimensionalen, topologischen Quantenstrukturen beispielsweise für neuartige Quantencomputer genutzt werden.

Bereits vor zwei Jahren überraschte die gleiche finnische Arbeitsgruppe mit einem anderen, exotischen Quanteneffekt. Ihnen gelang nach ersten Hinweisen auf magnetische Monopole in speziellen, Spin-Eis genannten Kristallen, die Erzeugung eines künstlichen, magnetischen Monopols. Das Experiment basierte ebenfalls auf einer tiefgekphlten Wolke aus Rubidium-Atomen, die die Forscher polarisierten und danach einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld aussetzten. Dadurch drehten sich die Spins der Atome, eine Rotationsbewegung der Atomwolke war die Folge. Die ungewöhnliche, ortsabhängige Geschwindigkeitsverteilung in der Wolke ließ sich aber nur mit einem fiktiven Magnetfeld erklären, das genau dem eines magnetischen Monopols entsprach.

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