5. November 2026

Foto: UHH/Schauss

Die Abbildung zeigt fermionische Atome dreier Zustände in einem optischen Gitter. Ein Quantengasmikroskop kann jedes einzelne Atom mit räumlicher Auflösung erfassen und ermöglicht es, Wechselwirkungen gezielt zu steuern.

Ein internationales Forschungsteam aus Deutschland, Thailand, Indien, China und den USA hat erstmals ein Drei-Komponenten-Hubbard-System realisiert, in dem sich die Wechselwirkungen steuern lassen. Dabei setzte das Team ein Quantengasmikroskop ein, um die einzelnen Atome sichtbar zu machen. Die Studie wurde in „Science“ veröffentlicht und liefert eine wichtige Grundlage für zukünftige Quantensimulationen in der Kernphysik und der Materialwissenschaft.

Ultrakalte Atome werden häufig verwendet, um Systeme zu realisieren, die denen der Festkörperphysik ähneln. Die fermionischen Atome spielen dabei die Rolle der Elektronen in einem Festkörper. Das Besondere ist, dass das so aufgebaute System ein Hubbard-Modell abbildet – eines der wichtigsten Modelle zur Beschreibung der Wechselwirkungen von Fermionen auf einem Gitter. Es gilt als besonders vielversprechender Ansatz, um Hochtemperatursupraleitung zu verstehen.

Im Standard-Hubbard-Modell gibt es meist zwei Spinzustände (Spin-Up und Spin-Down). Mit einer dritten Komponente wird das System deutlich vielseitiger. Dadurch lassen sich reichhaltigere quantenmechanische Phasen untersuchen.

Ultrakalte Atome in einem optischen Gitter sind eine hervorragende Plattform für derartige Quantensimulationen. Die Atome im niedrigsten Energiezustand des Gitters bilden ein Quantensystem, in dem Atome von einem Gitterplatz zum nächsten „tunneln“, also ihren Platz wechseln. Dabei gilt: Identische Fermionen können sich nicht am selben Ort befinden. Treffen dagegen zwei unterscheidbare Fermionen am selben Ort aufeinander, entsteht eine Wechselwirkungsenergie, die über das Magnetfeld gezielt eingestellt werden kann.

In der aktuellen Studie verwirklichte das Team um Prof. Peter Schauss, der heute an der Universität Hamburg und im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forscht, erstmals mit ultrakalten Atomen ein Hubbard-Modell mit drei Komponenten, bei dem sich die Wechselwirkungen gezielt steuern lassen. Zudem untersuchten die Forschenden, grundlegende Zustände und Phasen.

Starke Wechselwirkungen verhindern, dass sich Teilchen frei bewegen

„Besonders wichtig war uns dabei die Beobachtung eines sogenannten Mott-Zustands, in dem die Wechselwirkungen das doppelte Besetzen von Stellen unterdrücken“, sagt Schauss. Starke Wechselwirkungen verhindern dann, dass sich Teilchen frei zwischen den Gitterplätzen bewegen. Das führt zu einem isolierenden Verhalten. Bemerkenswert ist: In der Nähe des Mott-Zustands kann trotzdem Supraleitung auftreten.

Die Forschenden verwendeten ein Quantengasmikroskop, mit dem jedes einzelne Atom mit ortsspezifischer Auflösung nachgewiesen werden kann. Mit Hilfe von Atomen in unterschiedlichen internen Zuständen ließen sich im Experiment verschiedene Arten von Fermionen realisieren, sodass das Team schließlich drei unterschiedliche Zustände nutzen konnte. Dies führt zu einem System, das sich zwar stark von den aus der Festkörperphysik bekannten Elektronen auf einem Gitter unterscheidet, aber der Kernphysik ähnelt, wo Quarks drei verschiedene Farben haben können.

Die experimentelle Realisierung ist überraschend stabil

„Es stellte sich heraus, dass die experimentelle Realisierung überraschend stabil ist“, so Schauss. „Üblicherweise befürchtet man, dass Dreikörperkollisionen das System schnell zerstören könnten. Trotz dieser möglichen Gefahr konnten wir die Messungen erfolgreich durchführen und einen Mott-Isolator beobachten.“ Zudem identifizierten die Forschenden viele weitere Phasen. Diese hängen davon ab, wie stark die Wechselwirkungen zwischen den drei Zuständen jeweils sind. So zeigte sich zum Beispiel, dass im selben System sowohl ferromagnetische Korrelationen zwischen zwei Zuständen auftreten können als auch antiferromagnetische Korrelationen zwischen zwei anderen.

Zusätzlich entwickelten die Forschenden eine Methode, um die Anzahl dreifach besetzter Gitterplätze zu bestimmen. Die Messwerte stimmten mit den numerischen Berechnungen überein, die Kollaborationspartner an der Rice University in den USA durchgeführt hatten. Langfristig planen die Forschenden, die Wechselwirkungen in ihrem Aufbau so weiter anzupassen, dass sie im Labor Elemente von Gittermodellen der Quantenchromodynamik (QCD) untersuchen können.

Originalpublikation

Jirayu Mongkolkiattichai, Liyu Liu, Sohail Dasgupta, Kaden R. A. Hazzard, Peter Schauss

Quantum gas microscopy of three-flavor Hubbard systems

Science (2026)

DOI: 10.1126/science.adv1247