Ultrakalte Atome spontan in suprafluide Rotation versetzt

12. August 2021

Foto: AG Hemmerich

Rotationsordnung ultrakalter Atome im zweiten Band eines hexagonalen Gitters. Kreise kennzeichnen die Wirbel, Pfeile den Drehsinn. Unterschiedliche Farben symbolisieren die lokale Phase des Ordnungsparameters.

Ultrakalte bosonische Atome in höheren Bloch-Bändern eines aus drei interferierenden Laserstrahlen gebildeten hexagonalen Lichtgitters können eindrucksvolle Arten superfluider Ordnung ausbilden. Einem internationalen Forschungsteam der SUSTech University, China, der Pittsburgh University, USA, und der Universität Hamburg, Deutschland, ist es jetzt gelungen, eine spontane Brechung der Zeitumkehrinvarianz zu beobachten, wobei die Atome verblüffender Weise in kollektive Rotation versetzt werden. Darüber berichtet das Forscherteam im Fachmagazin „Nature“.

„Die jetzt beobachteten Phänomene sind mit dem Quanten-Hall-Effekt verwandt, unterscheiden sich aber konzeptuell“, sagt Prof. Andreas Hemmerich vom Institut für Laserphysik der Universität Hamburg und Wissenschaftler im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“.

Bei den in Shenzhen in der Arbeitsgruppe von Prof. Zhifang Xu durchgeführten Experimenten, die Hemmerich maßgeblich konzep­tuell und technisch unterstützte, wurden ultrakalte bosonische Atome im zweiten Bloch-Band eines hexagonalen Lichtgitters mit zweiteiliger Einheitszelle präpariert und zu extrem tiefen Temperaturen abgekühlt. Unterhalb einer kritischen Temperatur kam es zu einer spontanen Brechung der Zeitumkehrinvarianz. Dabei wurden die Atome auf magische Weise in kollektive Rotation versetzt und bildeten ein Gitter von mikroskopischen Wirbeln aus, deren gemeinsamer Drehsinn durch Quanten­fluktu­atio­nen zufällig ausgewählt wird.

Durch grundlegende theoretische Überlegungen fand das Forscherteam heraus, dass die entstehende supraflüssige Ordnung ein topologisches Anregungsspektrum besitzt und topologische Randzustände ausbildet. Diese wechselwirkungsinduzierten Phänomene weisen eine Verwandschaft mit dem Quanten-Hall-Effekt in elektronischer kondensierter Materie auf.

Originalveröffentlichung

X.-Q. Wang, G.-Q. Luo, J.-Y. Liu, W. V. Liu, A. Hemmerich, Z.-F. Xu

“Evidence for an atomic chiral superfluid with topological excitations”

Nature (2021)

DOI: 10.1038/s41586-021-03702-0