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Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

Foto: Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

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Konstante Kraft lässt Atome schwingen – Direkter Nachweis von Bloch-Oszillationen

Wird ein konstantes elektrisches Feld an einen Kristall angelegt, führen Elektronen, so lange sie nicht miteinander oder mit anderen Teilchen streuen, eine Schwingungsbewegung aus. In diesem sogenannten kohärenten Regime bewirkt also eine statische Spannung einen alternierenden Strom! Dieser als Bloch-Oszillationen bekannte Quanteneffekt wurde bereits vor ungefähr 90 Jahren vorhergesagt und ist an normalen Kristallen sehr schwer nachzuweisen. Es ist allerdings gelungen, dieses Phänomen in anderen räumlich periodischen Systemen zu beobachten, beispielsweise in Halbleiter-Übergittern und an ultrakalten atomaren Gasen in optischen Gittern.

In bisherigen Untersuchungen an Atomen konnte jedoch nur indirekt über Impulsmessungen auf die Existenz von Bloch-Oszillationen geschlossen werden. Ein neues Experiment wies jetzt Bloch-Oszillationen direkt im Ortsraum durch Messung der Atompositionen in einem optischen Gitter nach. David Weld von der University of California, Santa Barbara, und Kollegen verwendeten ein Bose-Einstein-Kondensat von Lithiumatomen in einem optischen Gitter mit einer Periode von 0,5 μm. Die konstante Kraft wurde über ein Magnetfeld mit einem räumlichen Gradienten realisiert. Durch Abbildung der Positionen der Atome zu verschiedenen Zeiten konnten Oszillationen mit einer fast makroskopischen Amplitude von ungefähr 100 μm, also einem Zehntel eines Millimeters oder über Einhundert Perioden des optischen Gitters, nachgewiesen werden.

Die experimentellen Ergebnisse sind in exzellenter Übereinstimmung mit theoretischen Analysen und numerischen Simulationen, die von Dr. Rodislav Driben und Prof. Dr. Torsten Meier von der Universität Paderborn gemeinsam mit Vladimir V. Konotop von der Universität Lissabon durchgeführt wurden. Anhand der gemessenen Daten lässt sich zudem die Bandstruktur des optischen Gitters ermitteln. Bloch-Oszillationen sind damit als Sonde zur Aufklärung der Eigenschaften komplexer Systeme anwendbar.

Der Artikel ist als Editors‘ Suggestion zusammen mit einem Kommentar in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen und im Internet aufrufbar unter: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.213201

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