Ein Phasenmikroskop für Quantensysteme
Mikroskopie ist essenziell zum Verständnis der Natur. In der Physik wurden Methoden entwickelt, um sogar die einzelnen Gitterplätze in Festkörpermaterialien aufzulösen, obwohl ihr Abstand kleiner als ein Milliardstel eines Meters ist. Allerdings lassen sich mit diesen Methoden nicht die Fluktuationen einfangen, die oft viel über die Zustände verraten. Ein alternativer Ansatz ist es, die Systeme größer und damit einfacher auflösbar zu machen. So kann man das komplexe Verhalten der Elektronen im Festkörper in einem künstlichen Quantensystem aus ultrakalten Atomen in Stehwellen aus Laserlicht, sogenannten optischen Gittern, im Labor nachstellen. Diese Systeme haben Gitterabstände von einem Millionstel eines Meters und lassen sich mit einem sehr guten optischen Mikroskop auflösen. Christof Weitenberg von der TU Dortmund und sein Team haben diese Möglichkeiten nun entscheidend erweitert, indem sie nicht nur die Dichteverteilung, sondern auch das Phasenprofil eines solchen kohärenten Quantensystems mit der Auflösung einzelner Gitterplätze messen.
In Quantensystemen verhalten sich die Teilchen auch wie Wellen und bei sehr tiefen Temperaturen haben unterschiedliche Orte des Systems eine feste Phasenbeziehung dieser Welle. Mit steigender Temperatur wachsen die Phasenfluktuationen bis die Phasenkohärenz an einem Phasenübergang ganz verloren geht und das System von einem Superfluid zu einem thermischen Gas übergeht. In zweidimensionalen Systemen von Bosonen, d.h. Teilchen mit einem geradzahligen Spin, haben diese Phasenfluktuationen eine besondere Form, die die Forscher nun ausmessen konnten. Die Phasenkorrelation fällt mit einem Potenzgesetz mit dem Abstand ab und der entsprechende Exponent wächst linear mit der Temperatur an.
Die Forscher manipulieren die Atome so, dass die ursprünglichen Phasenfluktuationen in relative Dichtefluktuationen konvertiert werden, die dann optisch abgebildet werden. Das funktioniert analog zur Phasenkontrastabbildung in der optischen Mikroskopie, basiert hier aber auf der Manipulation der atomaren Materiewelle. “Die Phasenfluktuationen interferierend dann mit dem kohärenten Anteil des Systems und transformieren sich so zu Dichtefluktuationen, was wir direkt zurückrechnen können”, erklärt Justus Brüggenjürgen, der Erstautor der Studie. Christof Weitenberg führt aus: “Die Methode bietet völlig komplementäre mikroskopische Einblicke in Quantensysteme. Varianten der Methode könnten in der Zukunft zum Beispiel die Kohärenz in stark-korrelierten Systemen vermessen und die Identifikation von d-Wellen Supraleitung ermöglichen.”
Die Ergebnisse sind veröffentlicht in Science 393, 167 (2026).
Ansprechpartner für Rückfragen: Prof. Dr. Christof Weitenberg