Erste Erkenntnis von Laughlins Zustand

Die vom Laser manipulierten ultrakalten Atome erzeugten einen Laughlin-Zustand, eine seltsame Quantenflüssigkeit, in der jedes Atom um seine Kongenere tanzt. Bildnachweis: Nathan Goldman

Die Entdeckung von Quanten-Hall-Effekten in den 1980er Jahren brachte neue Materieformen zu Tage, die „Laughlin-Zustände“ genannt werden, benannt nach dem amerikanischen Nobelpreisträger, der sie theoretisch erfolgreich charakterisierte.

Diese seltsamen Zustände treten auf einzigartige Weise in zweidimensionalen Materialien auf, unter extrem kalten Bedingungen und wenn sie einem extrem starken Magnetfeld ausgesetzt sind. Im Fall von Laughlin bilden die Elektronen eine ungewöhnliche Flüssigkeit, in der jedes Elektron um seine Artgenossen herumtanzt und ihnen so weit wie möglich aus dem Weg geht.

Die Anregung einer solchen Quantenflüssigkeit erzeugt kollektive Zustände, die Physiker mit Phantomteilchen assoziieren, deren Eigenschaften sich radikal von denen von Elektronen unterscheiden: Diese „Ionen“ tragen eine Bruchteilsladung (Teil der Elementarladung) und widersetzen sich überraschenderweise der Standardklassifizierung von Teilchen in Bezug auf Bosonen oder Fermionen.

Seit vielen Jahren erforschen Physiker im Lichte einer weiteren Analyse ihrer besonderen Eigenschaften die Möglichkeit, Laughlin-Zustände in anderen Systemtypen als denen von Festkörpermaterialien zu realisieren. Allerdings erwiesen sich die erforderlichen Komponenten (die zweidimensionale Natur des Systems, das starke Magnetfeld und die starken Korrelationen zwischen den Teilchen) als sehr herausfordernd.

Schreiben NaturEin internationales Team um die Experimentalgruppe von Marcus Grenier in Harvard berichtete über die erste Realisierung des Laughlin-Zustands mithilfe sehr kalter neutraler Atome, die durch Laser manipuliert wurden.

Das Experiment besteht darin, einige Atome in einer optischen Box einzufangen und die Zutaten zu implementieren, die zur Erzeugung dieses seltsamen Zustands erforderlich sind: ein starkes synthetisches Magnetfeld und starke, abstoßende Wechselwirkungen zwischen den Atomen.

In ihrem Artikel enthüllen die Autoren die definierenden Eigenschaften des Laughlin-Zustands, indem sie Atome einzeln durch ein leistungsstarkes Quantengasmikroskop abbilden. Sie zeigen den seltsamen „Tanz“ der Teilchen, die einander umkreisen, sowie die Teilweise des realisierten atomaren Laughlin-Zustands.

Dieser Meilenstein öffnet die Tür zu einem riesigen neuen Feld für die Erforschung von Laughlin-Zuständen und ihren Cousins ​​(zum Beispiel dem sogenannten Moore-Read-Zustand) in Quantensimulationen. Die Möglichkeit, beliebige Edelsteine ​​unter einem Quantengasmikroskop herzustellen, abzubilden und zu manipulieren, ist angesichts der Nutzung ihrer einzigartigen Eigenschaften im Labor besonders attraktiv.

Referenz: „Achieving the Fractional Quantum Hall State with Extremely Cold Atoms“ von Julian Leonard, Suchin Kim, Joyce Cowan, Perrin Segura, Fabian Grosdt, Cecil Replin, Nathan Goldman und Marcus Grenier, 21. Juni 2023, hier verfügbar. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4