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Brückenschlag zur Welt der kleinsten Einheiten

22.10.2018

LMU-Physikerin Monika Aidelsburger erforscht die Natur von Quanten-Vielteilchen-Phänomenen und experimentiert dafür mit einer Spezialform optischer Gitter.

Prof. Dr. Monika Aidelsburger steht hinte einem großen Versuchsaufbau der in farbigem Licht strahlt

Quantenphänomenen auf der Spur

Monika Aidelsburger inmitten einer weit verzweigten Landschaft aus optischen Linsen, Spiegeln und Lasern. | © LMU

Von Hubert Filser

Auf den Labortischen der Physikerin entsteht gerade eine weit verzweigte Landschaft aus optischen Linsen, Spiegeln, Lasern und Lichtleitungen. Bislang befinden sich nur wenige Elemente auf den Tischen, die Experimente sind jedoch so komplex, dass es einige Jahre dauern wird, alle dafür notwendigen, hochempfindlichen Teile richtig zu platzieren. Diesen immensen Aufwand betreibt Monika Aidelsburger, um Quantenphänomene mit neutralen Atomen in optischen Gittern zu untersuchen. In Käfigen aus Licht wird sie dann etwa Ytterbium-Atome einfangen, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind.

Lokale Kontrolle einzelner Teilchen

Der hochdotierte Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) eröffnete der Münchner Physikerin im vergangenen Jahr die einzigartige Möglichkeit, neuartige Gitter mit lokaler Kontrolle zu entwickeln. Damit möchte sie über bisherige Experimente hinausgehen, die die Eigenschaften von Festkörpern im Modell simulieren. „Mit dem neuen Experiment möchten wir Methoden entwickeln, um fundamentale Wechselwirkungen zwischen elementaren Teilchen zu untersuchen“, sagt die Forscherin.

In den vergangenen Jahren baute die junge Physikerin ihre eigene Arbeitsgruppe an der LMU auf, um bislang unverstandene Phänomene in der Welt der Quantenphysik zu ergründen. Die faszinierendsten Phänomene treten meist dann auf, wenn viele Teilchen miteinander wechselwirken, was theoretische Beschreibungen oft unmöglich macht. Hier kommen die Quantensimulationen von Aidelsburger ins Spiel, die experimentelle Antworten liefern können.

Reger Austausch mit anderen Laboren

Das Forschungsteam vor einem Verbindungsaufbau.

Monika Aidelsburger arbeitet eng mit den Kollegen der Fakultät für Physik und im neuen MCQST zusammen. Hier ist sie mit den Mitgliedern ihres Teams zu sehen: Thomas Kohlert, Bharath Hebbe Madhusudhana und Sebastian Scherg (von links). | © LMU

Um das Experiment erfolgreich aufzubauen, kann sie auch von einigen Tricks und Techniken profitieren, die Kollegen am Lehrstuhl von Immanuel Bloch entwickelt haben, um den Geheimnissen der Quantenwelt auf die Spur zu kommen. „Wir arbeiten sehr eng mit den anderen Laboren zusammen und profitieren sehr von dem wissenschaftlichen Austausch innerhalb der Fakultät und unserem neuen Cluster MCQST“, sagt Aidelsburger. Das Munich Center for Quantum Science and Technology wird aus Mitteln der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert.

Im Licht gefangen

Systeme aus ultrakalten Atomen in optischen Gittern können auf eindrucksvolle Weise dazu verwendet werden, Phänomene der Festkörperphysik in einer kontrollierten Umgebung nachzustellen. Die Atome können sich dabei im Gitter bewegen, allerdings wird diese Bewegung durch die globalen Parameter des Gitters beeinflusst. Aidelsburger möchte nun sogenannte Gittereichtheorien simulieren, welche die Wechselwirkung von Materie mit sogenannten Eichfeldern beschreiben. Die Materie selbst befindet sich dabei auf fiktiven Gitterplätzen, die Eichfelder existieren auf den Verbindungen zwischen den Gitterplätzen.

Neuer Zugang zu Quantenphänomenen

Die große Vision des neuen Ansatzes ist es, Zugang zu anderen Forschungsbereichen zu ermöglichen und verschiedene Disziplinen miteinander zu verbinden, denn Gittereichtheorien spielen eine fundamentale Rolle in vielen Bereichen der Physik. Sie sind wie eine Brücke in andere Forschungsbereiche, da die Theorien beispielsweise gleichzeitig die Physik von stark-wechselwirkenden Elektronen in einem Festkörper und wichtige Phänomene in der Quantenelektrodynamik beschreiben. So lassen sich Quantenphänomene aus den verschiedensten Bereichen der Physik zusammenführen – was künftig vielleicht zu neuen Ansätzen und Zugängen für die Beschreibung von Phänomenen aus der Quantenwelt führt, die bisher nur schwer zugänglich sind.

„Junge Wissenschaftler brauchen längerfristige Perspektiven“

Die Aussicht, am Lehrstuhl für Experimentalphysik von Immanuel Bloch daran einige Jahre im Rahmen einer Tenure-Track-Professur arbeiten zu können, war ein nicht unwichtiger Grund, weshalb die Physikerin nach ihrer Zeit als Postdoc am Collège de France in Paris nach München zurückgekehrt ist. „Als junge Wissenschaftlerin braucht man solche längerfristigen Perspektiven, gerade, wenn es um derart komplexe Experimente geht.“

Schritt für Schritt in höhere Dimensionen

Nahaufnahme eines Versuchaufbaus

Versuchsaufbau für Quantenexperimente | © LMU

Aidelsburgers Spezialgebiet ist es, die Wirkung von Magnetfeldern zu simulieren. „Magnetfelder lassen sich über Eichfelder beschreiben“, sagt die LMU-Physikerin. Technisch ist der Aufbau extrem anspruchsvoll. Aidelsburger verwendet für ihr Experiment Ytterbium-Atome, weil diese zwei langlebige Zustände besitzen, die sich für Simulationen gut nutzen lassen. Die Atome übernehmen bei der Simulation einerseits die Rolle der Materie und andererseits die Rolle der Felder, die zwischen den Gitterplätzen sitzen. Es ist technisch möglich, wenn auch in der Praxis nur schwer umzusetzen, diese beiden Zustände so zu beeinflussen, dass sich die Bewegung der Atome in beiden Zuständen miteinander koppeln lässt.

„Eine solche lokale Kopplung erlaubt es uns erstmals, fundamentale Bausteine von einfachen Gittereichtheorien experimentell zu realisieren“, sagt Aidelsburger. Die Technik lasse sich später vergleichsweise einfach auf größere Gitterstrukturen und höhere Dimensionen erweitern. „Es ist faszinierend, welche extremen Fortschritte in der Kontrolle einzelner Teilchen in den vergangenen Jahren gemacht wurden“, sagt Aidelsburger.

„Das ist für diese Art von Experimenten essenziell.“ Die Forschungsstrukturen in München, sowohl der Cluster MCQST wie die Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, biete für diese Arbeiten eine ideale Basis. „Das findet sich so kein zweites Mal in Deutschland“, sagt Aidelsburger.

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