Quantengasmikroskop: Wechselwirkungen im Drei-Komponenten-Hubbard-System gezielt steuerbar

Ein internationales Forschungskonsortium hat erstmals ein experimentelles Drei-Komponenten-Hubbard-System realisiert, in dem interatomare Wechselwirkungen präzise kontrollierbar sind. Unter Einsatz hochauflösender Quantengasmikroskopie gelang es, die quantenmechanischen Zustände der Atome ortsaufgelöst abzubilden. Die in Science publizierte Arbeit erweitert die Möglichkeiten der Quantensimulation für Fragestellungen der Festkörper- und Kernphysik.

Erweiterung des Hubbard-Modells auf drei Spinzustände

In der Festkörperphysik dienen ultrakalte Atome in optischen Gittern als hochpräzise Simulatoren, in denen fermionische Atome die Rolle von Gitterelektronen einnehmen. Während das klassische Hubbard-Modell auf zwei Spinzustände (Spin-up und Spin-down) limitiert ist, erlaubt die Implementierung einer dritten Komponente die Untersuchung komplexerer Phasenräume und Mehrteilchen-Wechselwirkungen. Im optischen Gitter tunneln die Atome zwischen benachbarten Plätzen. Aufgrund des Pauli-Prinzips können identische Fermionen denselben Gitterplatz nicht doppelt besetzen. Treffen hingegen unterscheidbare Fermionen aufeinander, entsteht eine über externe Magnetfelder abstimmbare Wechselwirkungsenergie

Nachweis von Mott-Isolation und Korrelationen

Dem Team um Prof. Peter Schauss gelang die erfolgreiche Implementierung dieses Drei-Komponenten-Modells inklusive gezielter Interaktionskontrolle. „Besonders wichtig war uns dabei die Beobachtung eines sogenannten Mott-Zustands, in dem die Wechselwirkungen das doppelte Besetzen von Stellen unterdrücken“, erläutert Schauss. Starke abstoßende Wechselwirkungen blockieren hierbei den Platzwechsel der Teilchen und induzieren ein isolierendes Verhalten – ein Zustand, in dessen Nähe bekanntermaßen auch Supraleitung entstehen kann.

Mithilfe quantengasmikroskopischer Einzelatomdetektion konnten drei unterschiedliche interne Zustände realisiert werden. Dieses Setup weist Analogien zur Kernphysik auf, in der Quarks analog drei unterschiedliche Farbladungen tragen. „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.“

Neben dem Mott-Isolator identifizierten die Forschenden diverse weitere Phasen, die stark von der jeweiligen Interaktionsstärke der drei Komponenten abhängen. So ließen sich im selben System sowohl ferromagnetische als auch antiferromagnetische Korrelationen zwischen unterschiedlichen Zustandspaaren nachweisen. Ergänzend etablierte das Team eine Messtechnik zur Quantifizierung dreifach besetzter Gitterplätze, deren Validierung durch numerische Simulationen der Rice University (USA) bestätigt wurde. Langfristig zielt der Ansatz darauf ab, Gittermodelle der Quantenchromodynamik (QCD) experimentell zugänglich zu machen.

Quelle

Universität Hamburg / Informationsdienst Wissenschaft e. V. (11/2025)