Quantentechnologie: Realisierung eines besonderen quantenmechanischen Zustandes von Materie

Physik-News vom 12.08.2019


Einen besonderen Zustand der Materie hat ein wissenschaftliches Team am Institut für Theoretische Physik der Universität Stuttgart unter Leitung von Prof. Hans Peter Büchler in Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von Prof. Antoine Browaeys am Institut d’optique in Palaiseau erforscht. Es handelt sich um eine „topologische Phase“ und damit die Realisierung eines besonderen quantenmechanischen Zustands von Materie. Zum ersten Mal ist es gelungen einen solchen topologischen Zustand im Sinne eines Quantensimulators in einer kontrollierten Umgebung zu realisieren und seine speziellen Eigenschaften zu untersuchen. Die Forschungsergebnisse wurden im Science Journal online publiziert.

Die allermeisten Zustände von Materie werden charakterisiert durch das Konzept der spontanen Symmetriebrechung. Beispiele sind Kristalle, in denen Atome periodisch angeordnet sind, oder Ferromagnete, deren magnetisches Moment eine spezielle Richtung auszeichnet. Im Unterschied dazu sind topologische Phasen nicht durch eine solche Symmetriebrechung ausgezeichnet und sind nicht innerhalb dieses Konzeptes erklärbar. Beispiele für bekannte topologische Phasen sind sowohl der ganzzahlige als auch der fraktionale Quantenhall-Zustand, aber auch topologische Isolatoren, wie sie in Festkörpern unter speziellen Bedingungen auftreten.


Photo des künstlichen Systems von 14 individuell gefangenen und präzise platzierten Atomen, in dem die topologische Phase realisiert worden ist.

Publikation:


Sylvain de Léséleuc1, Vincent Lienhard1, Pascal Scholl, Daniel Barredo, Sebastian Weber, Nicolai Lang, Hans Peter Büchler, Thierry Lahaye, Antoine Browaeys
Observation of a symmetry-protected topological phase of interacting bosons with Rydberg atoms
Science 01 Aug 2019: eaav9105

DOI: 10.1126/science.aav9105



Das nun erforschte künstliche System der Materie besteht aus Atomen, die in individuellen Fallen gefangen und zu Rydberg-Zuständen angeregt sind. In dem Experiment sind es bis zu 14 Atome. Die starke Wechselwirkung zwischen diesen Rydberg-Zuständen führt dazu, dass der quantenmechanische Grundzustand dieser Teilchen durch eine solche topologische Phase bestimmt ist.

Durch die Kontrolle über jedes einzelne Atom konnten die besonderen Eigenschaften dieser topologischen Phase gemessen werden. Dazu gehören robuste Randzustände, ein charakteristisches Anregungsspektrum sowie ein nicht-lokaler Ordnungsparameter. Die experimentellen Beobachtungen, geleitet durch Prof. Antoine Browaeys am Institut d’optique, sind in exzellenter Überreinstimmung zu den theoretischen Vorhersagen der Arbeitsgruppe von Prof. Hans Peter Büchler.


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