Abbildung von Atomen in Quantenwellenbewegung

Physiker des Laboratoire Kastler Brossel in Paris haben eine leistungsstarke neue Technik entwickelt, um das wellenartige Verhalten einzelner Atome bei ihrer Bewegung durch den Raum direkt zu beobachten. Durch die präzise Steuerung ultrakalter Atome mit Lasern und deren Abbildung mit einem hochmodernen Mikroskop haben die Forscher einige der bisher deutlichsten Beweise für Materiewellen in Aktion eingefangen. Ihre Ergebnisse, die kürzlich in einem Preprint veröffentlicht wurden, geben einen spannenden Einblick in die geheimnisvolle Quantenwelt einzelner Teilchen.

Alle Teilchen haben nach den seltsamen Regeln der Quantenmechanik sowohl teilchen- als auch wellenartige Eigenschaften. Auf der Skala von Atomen und kleiner verhalten sich Objekte auf subtile Weise wie Wellen, auch wenn sie eindeutig zählbare Teilchen bleiben. In früheren Experimenten wurden Materiewellen indirekt durch Streuungseffekte untersucht, aber die direkte Abbildung einzelner atomarer Wellen erwies sich als schwierig. Das französische Team hat versucht, dies zu ändern, indem es eine Methode entwickelt hat, um atomare Wellenfunktionen gleichmäßig auf ein optisches Gitter zu projizieren und dann die Positionen der Atome mit Hilfe von Einzelteilchenbildern genau zu bestimmen.

Joris Verstraten, Kunlun Dai, Maxime Dixmerias, Bruno Peaudecerf, Tim de Jongh, Tarik Yefsah

Vorbereitung und In-situ-Abbildung von Einzelatom-Wellenpaketen. (a) Messschema: Einzelne Atome werden in der Nähe des Grundzustands des harmonischen Oszillators an einzelnen Stellen eines dreieckigen optischen Gitters präpariert, das durch einen selbstinterferierenden Laserstrahl mit den Wellenvektoren 𝐤𝟏, 𝐤𝟐 und 𝐤𝟑 erzeugt wird. Die anfänglich in den Gittertöpfen gefangenen Wellenpakete, die durch eine Gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung |𝜓0(𝐫)|2 gekennzeichnet sind, werden in einer Ebene freigesetzt, so dass sie sich für eine bestimmte Zeit ausdehnen können. Für die Abbildung nach der Ausdehnung wird das Gitter schnell wieder hochgefahren, wobei das Wellenpaket projiziert wird, und es wird eine Raman-Seitenbandkühlung angewendet, um das Atom an einer einzigen Stelle zu fixieren. Die resultierenden Atompositionen werden durch ortsaufgelöste Fluoreszenzabbildung aufgezeichnet. Aus vielen Wiederholungen identisch präparierter Wellenpakete erstellen wir Histogramme der projizierten Positionen mit einer durch die Gitterstruktur gegebenen Diskretisierung, was zu einer gemessenen Wahrscheinlichkeitsverteilung |𝜓0(𝐫)|2 führt. (b) Experimentelles ortsaufgelöstes Einzelatombild. Das rechte obere Feld zeigt einen Teilbereich, der ein einzelnes Atom enthält. Unten rechts ist ein vergrößerter Bereich des Bildes zu sehen, in dem die rekonstruierte dreieckige Gitterstruktur mit einem Abstand von 𝑎𝐿=709 nm als weiße Punkte dargestellt ist. (c) Experimenteller Aufbau der abgeflachten optischen Dipolfalle, die die Atome auf eine zweidimensionale Ebene beschränkt, die Raman-Strahlen (R1, R2 und RP), die zur Kühlung und Abbildung verwendet werden, und das Mikroskopobjektiv. (d) Draufsicht auf die Versuchsanordnung, die die Geometrie des optischen Gitterstrahls zeigt.

Ihre Ergebnisse verleihen einer gewagten Vermutung Glaubwürdigkeit: Auf der Makroebene kann das gesamte Universum als eine große Energiewelle der Materie verstanden werden, und unsere Wahrnehmung der Realität ist lediglich die bewusste Interpretation dieses konstanten Quantenflusses. Atome, Menschen, Planeten, Galaxien - alle könnten als wiederkehrende probabilistische Muster innerhalb einer endlosen kosmischen Bewegung beschrieben werden. Nach dieser Sichtweise steht nichts wirklich still, was erklärt, warum die Physiker bei ihren Untersuchungen der Natur nie absolute Ruhe gefunden haben.

Indem diese Arbeit ein Fenster in schwer fassbare Quantenwellenfunktionen öffnet, bringt sie uns der vollständigen Visualisierung der Quantenwelt einen Schritt näher. Mit der Aufnahme einiger der bisher klarsten Bilder von Teilchen, die ihrer dualen Welle-Teilchen-Natur gehorchen, haben die französischen Forscher die atomare Quantenmikroskopie auf ein neues Niveau gehoben. Ihre Ergebnisse sind eine verblüffende Bestätigung der eigenartigen Regeln der Quantenmechanik und eröffnen spannende Möglichkeiten für direkte Entdeckungen auf den tiefsten Ebenen der Natur.

Hinweis(e)

1. 1.  https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05699

Klicken Sie auf TAGS, um verwandte Artikel zu sehen:

ATOME | PHYSIK | QUANTEN | WELLEN