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Magnetic Field Microscopy with ultra cold atoms reviels details of current flow

An international team of scientists at the TU-Wien / Universität Heidelberg / Ben-Gurion University, used ultra cold atom magnetic field microscopy to probe current flow patterns in thin gold films with unprecedented sensitivity.
The physics of ultra cold atoms and matter waves enables the application of new sensitive probes for many different fields of science. Up to now inertial sensing (measuring rotations and accelerations) and atomic clocks were the main application.  The study ‘Long-Range Order in Electronic Transport through Disordered Metal Films’, published in Science on Feb, 29th, is the first direct application of ultra cold atoms as a probe for solid state science. 
The team of scientists at the TU-Wien/Universität Heidelberg lead by Jörg Schmiedmayer, in collaboration with the Group of  Ron Folman at the Ben-Gurion University of the Negev at Béer Sheva (Israel),  used ultra cold atom magnetic field microscopy on an atom chip to probe minute changes in the magnetic field direction which allow the reconstruction of the current flow patterns in thin planar conductors with unprecedented sensitivity. Directional changes of the current flow at the level of below 10 µrad can be imaged with 3 micrometer resolution.

The new study published in Science revealed surprising phenomena in the current flow in thin gold films.
 

- The current flow irregularities exhibit of long range correlations showing organized patterns oriented at ±45º relative to the mean current flow, even at room temperature and at length scales of tens of microns, orders of magnitude larger than the tens of nanometer scale given by the diffusion length or the grain size.  These patterns are the direct visualization of the fundamental properties of current flow around defects.
- Even more surprising the amplitude of these current direction fluctuations scales contrary to what is expected from the measured parameters of the gold films: thinner films with larger grains show smaller directional variations that are much too small to be explained by the measured surface roughness.
This study is the first direct application of ultra cold atoms as a sensor for a solid-state science problem.  It demonstrates that the new method reveals information complementary to that offered by traditional probes.  The present study opens the road for a rich spectrum of new experimental studies on the interplay between disorder and transport.

Long-Range Order in Electronic Transport through Disordered Metal Films
S. Aigner, L. Della Pietra, Y. Japha, O. Entin-Wohlman, T. David, R. Salem, R. Folman, J. Schmiedmayer
Science 319 1226 (2008)

Other literature on magnetic field microscopy:
S. Wildermuth et al., Nature, 435, 440 (2005).
S. Wildermuth et al., Appl. Phys. Lett., 88, 264103 (2006).

Overview on Atom Chip science:
R. Folman et al., Advances of Atomic and Molecular and Optical Physics, 48, 263 (2002).


Magnetic Field Microscope

Figure: Scheme of the Ultra Cold Atom Magnetic Field Microscope
An highly elongated, quasi one dimensional cloud of ultra cold (T~100nK) or Bose-Condensed Rubidium atoms is positioned above the current carrying wire on an atom chip.   The current in the wire modifies the magnetic trapping potential. Current flow deviations lead to a potential roughness of the atom trap and consequently to a modified density of the trapped atomic cloud.  Imaging the atom cloud reveals the magnetic field profile. Scanning the cloud across the wire allows registering a full magnetic field map.

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A research team at the TU Wien was able to convince both the scientific referees and the jury of the BMWF to fund their project "Designed Matter and Quantum Technologies (DMQT)"

The Austrian minister of science, Dr. Johannes Hahn, announced on Feb. 28th 2008, that a number of innovative research infrastructure projects in Austria were selected for funding.
A research team (E. Bertagnolli, J. Burgdörfer, S. Bühler-Paschen, G. Rupprechter, J. Schmiedmayer, W. Schrenk, G. Strasser, U. Schubert, K. Unterrainer, M. Vellekoop, H. Weber) at the TU Wien was able to convince both the scientific referees and the jury to fund their project "Designed Matter and Quantum Technologies (DMQT)"
The common theme: "Designed Matter and Quantum Technologies (DMQT)", combines the efforts of three faculties: Technical Chemistry, Physics, and Electrical Engineering & Information Technology of the TU-Wien. The bridge connecting all three are modern designer materials ranging from molecules to semiconductor, metal, and oxide nano structures, from quantum devices to degenerate quantum matter, with the goal to build a broad and solid technological basis for quantum science.
Besides strengthening the technological infrastructure at the Center for Micro- and Nano Structures (ZMNS) at the TU Wien, DMQT includes a chair on ‘Applied Quantum Science’ which will occupy a central position in bringing quantum science together with novel materials, which have the promise to be the habitat for quantum phenomena to live and survive long enough to be applicable in a quantum technology.
Designed Matter and Quantum Technologies combines material science with fundamental quantum research. The application is located in the Schwerpunkte “Quantenphysikalische und Optische Technologien“ and „Materials Science/industrielle Technologien” of the TU-Wien. The team consisted of E. Bertagnolli, J. Burgdörfer, S. Bühler-Paschen, G. Rupprechter, J. Schmiedmayer, W. Schrenk, G. Strasser, U. Schubert, K. Unterrainer, M. Vellekoop, H. Weber form the faculties: Technical Chemistry, Physics, and Electrical Engineering & Information Technology. The connection of modern materials and quantum physics is one of the strength’s of research at the TU-Wien. A key advantage of the TU-Wien thereby is the infrastructure which allows transferring the results from basic fundamental science to applicable (quantum) technologies. The interfaculty cooperation center Functional Matter (FunMat) was installed to further support this because a strong link between fundamental research and modern materials engineering on the atomic scale will be an important and unique asset for the TU-Wien. This connection between modern material science and quantum technologies is an important internationally recognized landmark in the scientific profile of the TU-Wien and will be strengthened considerably by this proposal. The international competitiveness of the group is demonstrated by the participation in a large number of European projects.
The infrastructure part (molecular beam epitaxy, atomic layer vapour deposition, ICP PECVD, magnetic layer deposition, UHV preparation of multicomponent layers) will strengthen the existing technological basis at the TU-Wien, allowing it to stay competitive in advanced materials synthesis for nanoelectronics, photonics, spintronics, sensing, and nanocatalysis. It will allow designing and building materials with novel electronic, magnetic, optical, and catalytic properties. The requested chair in Applied Quantum Physics will occupy a central position in developing basic (quantum) science – Bringing quantum science together with novel materials, which have the promise to be the habitat for quantum phenomea to live and survive long enough to be applicable in a quantum technology. The connection is therefore both ways. The new designed materials will allow implementing novel concepts in quantum technologies, and the fundamental research will stimulate novel directions for creating such materials, both ways pushing the boundaries of present knowledge and technology. The new infrastructure together with the expertise of the colleagues will make the TU-Wien an outstanding if not a unique scientific working environment. Furthermore will the new infrastructure help to attract excellent female applicants for professorship and senior researcher positions.

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„Designed Matter and Quantum Technlogies“ eine Forschungsinfrastruktur-Initiative eines Teams von Forschern an der TU-Wien war beim Wettbewerb um den mit 50 Mio Euro dotierten Topf des Profilbildungsprogrammes des BMWF erfolgreich und kann nun an die Umsetzungs des Programmes gehen.

Technische Universität Wien: "Designed Matter and Quantum Technologies (DMQT)"

Der Antrag “Designed Matter and Quantum Technologies” verbindet die Materialwissenschaft mit der modernen Quantenphysik. Dieser kombinierte Infrastruktur- und Vorziehprofessur-Antrag von Mitgliedern der Fakultäten Elektrotechnik und Informationstechnik, Technische Chemie sowie Physik stärkt die im Entwicklungsplan der TU-Wien definierten Kompetenzfelder “Quantenphysikalische und Optische Technologien“ und „Materials Science/industrielle Technologien”. Die Nutzung der Ergebnisse der quantenphysikalischen Grundlagenforschung für Anwendungen wird durch die technologische Infrastruktur der TU-Wien erst ermöglicht. Ein fakultätsübergreifendes Kooperationszentrum “Functional Matter” (FunMat) wurde ins Leben gerufen, um diese Kombination von Materialherstellung mit atomarer Kontrolle und Grundlagenforschung noch zu verstärken. Projektleiter: Univ. Prof. Karl Unterrainer

Der Antrag “Designed Matter and Quantum Technologies” verbindet die Materialwissenschaft mit der modernen Quantenphysik. Dieser kombinierte Infrastruktur- und Vorziehprofessur-Antrag stärkt die Kompetenzfelder “Quantenphysikalische und Optische Technologien“ und „Materials Science/industrielle Technologien” der TU-Wien. Der Antrag wurde von Mitgliedern der Fakultäten Elektrotechnik und Informationstechnik (E. Bertagnolli, W. Schrenk, G. Strasser, K. Unterrainer. M. Vellekoop), Technische Chemie (G. Rupprechter, U. Schubert) sowie Physik (J. Burgdörfer, S. Bühler-Paschen, J. Schmiedmayer, H. Weber) getragen. Die Kombination von Quantenphysik und moderner Technologie ist eine der Stärken der TU-Wien. Die Nutzung der Ergebnisse der quantenphysikalischen Grundlagenforschung für Anwendungen wird durch die technologische Infrastruktur der TU-Wien erst ermöglicht. Eine fakutätsübergreifendes Kooperationszentrum “Functional Matter” (FunMat) wurde ins Leben gerufen, um diese Kombination von Materialherstellung mit atomarer Kontrolle und Grundlagenforschung noch zu verstärken. Die erfolgreiche Teilnahme an vielen Forschungs-Förderungsprogrammen der Europäischen Union sowie die Teilnahme and nationalen Schwerpunktprogrammen spiegelt die bereits vorhandene wissenschaftliche Expertise wieder. Die Möglichkeit zur Umsetzung innovativer Ideen der Quantenphysik durch modernste, technologische Infrastruktur soll durch diesen Antrag zur Stärke der TU-Wien werden und zur ihrer komplentären Ausrichtung in der Centropa-Region beitragen. Die Infrastruktur-Systeme (molecular beam epitaxy, atomic layer vapour deposition, ICP ECVD, magnetic layer deposition, UHV preparation of multicomponent layers) stärken und inbesondere erweitern die schon vorhandene Material-Technologie und ermöglichen somit in den Bereichen der Nanoelektronik, Photonik, Spintronik, Sensorik und Nano-Katalyse international ins wissenschaftliche Spitzenfeld zu kommen. Diese Anlagen ermöglichen die Herstellung neuartiger Materialen mit speziellen, vorhersagbaren Eigenschaften mit Anwendugnen im Bereich der Elektronik, Optik und Chemie.
Der beantragten Vorzeihprofessur für angewandte Quantenphysik kommt hierbei eine zentrale Rolle bei der Nutzung der Quanten-Wissenschaft für neuartige Materialien zu. Es müssen jene Quanten-Phänomene identifiziert werden, die in den mit der neuen Infrastruktur herstellbaren Materialien realisierbar sind. Diese Verbindung aus Vorziehprofessur und Infrastrukturmaßnahmen wird eine gegenseitige Beinflussung der beteiligten Wissenschaftsgebiete erreichen - bewirken. Neuartigen Materialien ermöglichen neue Konzepte in der Quanten-Technologie umzusetzen und die Grundlagenforschung wird neue Richtungen für die Herstellung von zur Zeit undenkbaren Materialeigeschaften vorgeben.
Diese Kombination aus Vorziehprofessur und Infrastruktur-Maßnahmen zusammen mit der Expertise der beteiligten Forscher der TU-Wien schafft eine außerordentliche, wenn nicht sogar einzigartige, wissenschaftliche Umgebung. Weiters wird die neue Infrastruktur die Anziehungskraft der TU-Wien für Professorinnen und Forscherinnen deutlich steigern.

http://www.bmwf.gv.at/fileadmin/user_upload/ausschreibungen/Projektbeschreibungen.pdf

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Nature Physics: Quantum Teleportation between Flying (Photonic) and Stationary (Atomic) Qubits

In its upcoming issue the science journal Nature Physics will publish the article: Memory-built-in quantum teleportation with photonic and atomic qubits. Yu-Ao Chen, Shuai Chen, Zhen-Sheng Yuan, Bo Zhao, Chih-Sung Chuu, Jörg Schmiedmayer and Jian-Wei Pan.

Quantum states (quantum bits) are very fragile. Different physics systems have complementary advantage in sending, manipulating or storing quantum states. Photons for example are ideal choice for communicating a quantum state: they are fast and very robust, but they are difficult to store. Atomic states are ideal long lived quantum states which can be used to store quantum bits. Their inherent precision and long coherence times are the basis of atomic clocks. It has been a challenge to connect the two by a quantum interface.
In the recent article published on 20th January 2008 in the journal Nature Physics (Advanced-Online-Publication) scientists from the University Heidelberg, University of Science and Technology of China, and the TU-Vienna experimentally demonstrated how an unknown state of a photonic qubit can be transferred
into a quantum memory by quantum teleportation, stored in the atomic states of the quantum memory for up to 8 micro-second and then read out and transferred on to photonic state.
Such an interface to map quantum states of photons to these quantum states of matter and to retrieve them without destroying the quantum character of the stored information is an essential part of a future quantum technology.
How to accomplish this task?
In the classical world it is possible to copy and send information, for example in a fax machine. However, in quantum world this is not possible. Quantum information can not be copied, it can only be transferred, without leaving any trace remaining on the original. How can we transfer a state of a quantum system from one place to another?
In quantum teleportation an unknown quantum state is transferred to a distant location without getting any information about the state in the course of this transformation. It is one of the most intriguing examples of how quantum entanglement can assist in realizing practical tasks and is involved in numerous quantum communication and quantum computation schemes.
Both quantum teleportation and quantum memory have been achieved separately in many proof-of-principle experiments, but the demonstration of memory-built-in teleportation of photonic qubits remained an experimental challenge.

ExperimentalSetup
Figure: Experimental setup.

In the present experiment the scientists used photonic qubits with the quantum information encoded in the polarization as the information carriers and the collective atomic spin excitation in an ultra cold ensemble of about a million Rb atoms as the quantum memory. At first an entanglement between the photonic polarization state and the state of the quantum memory is created. This atom-photon entanglement is then the resource, which is exploited to teleport an unknown polarization state of a single photon onto a remote atomic qubit via a Bell-state measurement between the photon to be teleported and the photon that is originally entangled with the atomic qubit. The teleported state can be then stored in the collective state of atomic ensembles and successfully retrieved for a delay of up to 8 micro-seconds.
The successful teleportation is verified by the experimentally determined fidelity of the teleported state, which is greater than the classical limit two thirds.
Besides being of fundamental interest, the present experiment of memory-built-in teleportation protocol with the direct inclusion of a readable quantum memory represents an important step towards efficient and scalable connection of quantum networks. [pdf]

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Nature Physics: Quanten Teleportation zwischen fliegenden (photonischen) und stationären (atomaren) Qubits

In seiner nächsten Ausgabe wird das Journal „Nature Physics“ den folgenden Artikel veröffentlichen: Quanten Teleportation mit photonischen und atomaren Quanten Bits (Qubits) mit integriertem Zwischen-Speicher.
Yu-Ao Chen, Shuai Chen, Zhen-Sheng Yuan, Bo Zhao, Chih-Sung Chuu, Jörg Schmiedmayer and Jian-Wei Pan.
Quanten Zustände (Quanten Bits) sind äußerst sensitiv gegenüber Störung. Verschiedene physikalische Systeme haben dabei unterschiedliche Vorteile bei der Übermittlung, Manipulation und der Speicherung von Quanten Zuständen. Photonen (Lichtteilchen) sind zum Beispiel hervorragend geeignet für die Kommunikation von Quanten Zuständen; sie sind schnell und robust, jedoch sind sie extrem schwer zu speichern. Atomare Ensembles hingegen sind sehr langlebig und können für die Speicherung von Quanten Zuständen verwendet werden. Ihre inhärente Präzision und lange Kohärenz-Zeit bilden die Grundlage für moderne Atomuhren. Die Verknüpfung dieser beiden Systeme galt lange als eine große Herausforderung.
In der aktuellen Ausgabe von „Nature Physics“ vom 20. Januar (Vorab-Online-Ausgabe) berichten Wissenschaftler von der Universität Heidelberg, der University of Science and Technology of China und der TU Wien die experimentelle Übertragung eines unbekannten Quanten Zustandes mit zwischenzeitlicher Speicherung. Dabei wird mit Hilfe von Quanten Teleportation der Zustand eines Photons auf einen atomaren Quanten Speicher übertragen, wo er im atomaren Ensemble für bis zu 8 Mikrosekunden gespeichert und anschließend wieder ausgelesen und auf ein Photon übertragen wird.
Eine solche Schnittstelle, die die Übertragung von Quanten Zuständen von Licht auf Materie und die anschließende Rückübertragung ermöglicht ohne dabei den Quanten Charakter der gespeicherten Information zu zerstören, ist ein wesentlicher Bestandteil eine zukünftigen Quanten Technologie.
Wie kann dieses Ziel erreicht werden?
In der klassischen, makroskopischen Welt ist es ohne weiteres möglich Informationen zu kopieren und zu senden, so zum Beispiel mit einem Fax-Gerät. In der mikroskopischen Quanten Welt ist dies jedoch nicht möglich. Quanten Information kann nicht kopiert und nur transferiert werden, wenn dabei das Original zerstört wird. Wie jedoch ist diese Übertragung eines Quanten Zustandes zwischen zwei Orten zu erreichen?
Bei der Quanten Teleportation wird ein unbekannter Zustand zu einem anderen Ort transferiert, ohne dass im Laufe des Vorgangs jegliche Kenntnis über den Zustand gewonnen wird. Dies ist eines der faszinierenden Beispiele dafür, wie Quanten Verschränkung für reale Anwendungen verwendet werden kann, welche in in zahlreichen Quanten Kommunikations- und Algorithmen Protokollen Verwendung finden.
Sowohl die Quanten Teleportation als auch der Quanten Speicher sind bereits in so genannten „proof-of-principle“ Experimenten gezeigt worden. Jedoch die Implementierung einer Quanten Teleportation von photonischen Qubits mit integriertem Speicher war bis heute nicht möglich.
Im Experiment verwenden die Wissenschaftler photonische Qubits als Datenträger; die Quanten Information ist codiert im Polarisationsfreiheitsgrad der Photonen. Als Quanten Speicher dient der kollektive Spin-Zustand eines ultra-kalten Ensembles von ca. einer Millionen Rubidium Atomen. Zunächst wird eine Verschränkung zwischen dem Polarisationszustandes des Photons und dem Zustand des Quanten Speichers erzeugt. Diese Atom-Photon Verschränkung dient als Ressource für die Teleportation eines unbekannten photonischen zu einem atomaren Qubit. Dies geschieht mit Hilfe einer so genannten „Bell-Zustands-Messung“ zwischen dem zu teleportierenden Photon und dem Photon, das zuvor mit dem atomaren Ensemble verschränkt wurde. Der teleportierte Zustand kann nun im kollektiven Zustand des atomaren Ensembles gespeichert und nach bis zu 8 Mikrosekunden erfolgreich wieder ausgelesen werden.
Die erfolgreiche Teleportation wird mit Hilfe der experimentell bestimmten Reinheit des finalen Zustandes verifiziert, welche größer ist als das klassische Limit von zwei Dritteln.
Das beschriebene Experiment trägt nicht nur zum fundamentalen Verständnis moderner Physik bei, sondern ist darüber hinaus ein bedeutender Schritt in die Richtung effizienter und skalierbarer Quanten Netzwerke.[pdf]

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Die Geburt eines Photons

Wie das Journal NATURE in seiner Ausgabe vom 11. Oktober 2007 (Band 449 Nr. 7163) berichtet, ist es ForscherInnen der Technischen Universität (TU) Wien erstmalig gelungen, den zeitlichen Verlauf der stimulierten Emission in einem Laser zu beobachten. Wien (TU). - Die ForscherInnen am Institut für Photonik der TU Wien haben in mehr als zweijähriger Arbeit zwei verschiedene Technologien vereinigt, die es ermöglichen, die stimulierte Emission von Photonen in einem Quantum Cascade Laser direkt zu messen. Dabei handelt es sich um einen extrem schnellen und komplexen Vorgang, der von der Phase beziehungsweise dem Vorzeichen des Lichtfeldes innerhalb einer Schwingungsdauer (10-13s) entscheidend abängt. Bei den eingesetzten Technologien handelt es sich einerseits um die Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (hier ist das Photonik-Institut seit Jahren ein internationaler Spitzenreiter) und andererseits um die Entwicklung von Halbleiter-Nanostrukturen für die Generation von Terahertz-Strahlung. In Zukunft soll diese neue Technik eingesetzt werden um das dynamische Verhalten von Lasern zu verstehen und extrem schnelle Modulationen zu erreichen. Taktraten im Terahertzbereich (1 THz = 1000 GHz) scheinen erreichbar. Bei der in NATURE erschienen Arbeit wurde diese zeitaufgelöste Messmethode zur Untersuchung von neuartigen Halbleiterlasern, sogenannten Quantum Cascade Lasern (QCL), eingesetzt. Quantum Cascade Laser sind Halbleiter-Nanostrukturen bei denen der Laserübergang nicht primär durch Materialeigenschaften bestimmt (und limitiert) wird, sondern durch die präzise Nanostrukturierung von Halbleitern. Damit können maßgeschneiderte "Potentialtöpfe" erzeugt werden, in denen die Elektronen genau die gewünschten Energieniveaus für den Laserübergang haben. Mit dem Quantum Cascade Laser kann der Spektralbereich zwischen dem Infraroten Licht und den Radio- und Mikrowellen technologisch erschlossen werden. Der praktische Anwendungsbereich der THz Photonik liegt z.B. im Imaging-Bereich (Bildgebungsverfahren etwa für medizinsche Diagnostik bzw. Materialprüfung). Die Beobachtung des zeitlichen Verlaufes der stimulierten Emission liefert einen beeindruckenden Einblick in die Quantenwelt. So generiert ein Photon nicht einfach "im Vorbeiflug" ein weiteres, stimuliertes Photon. Die einfallenden Photonen wechselwirken vielmehr intensiv mit den Elektronen in der Quantenstruktur und verursachen eine Überlagerung der elektronischen Wellenfunktionen im oberen und unteren Laserniveau. Eine Überlagerung, die ähnlich einer klassischen Dipolantenne oszilliert und dabei ein neues Photon abstrahlt. Dieser theoretisch seit langem beschriebene "Geburtsprozess" eines Photons konnte nun erstmals experimentell mitverfolgt werden. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB-ADLIS "Advanced Light Sources" des FWF durchgeführt. An diesem Forschungsverbund sind neben den Gruppen des Instituts für Photonik auch das Institut für Festkörperelektronik, das Institut für Theoretische Physik sowie das Institut für Physikalische Chemie der Universität Wien und das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München beteiligt. Das EU-Projekt "TERANOVA" hat die Zusammenarbeit mit französischen Kollegen ermöglicht.

Links: http://www.teranova-ist.org/ http://info.tuwien.ac.at/adlis/

Rückfragehinweis:
Univ.Prof. Mag. Dr. Karl Unterrainer
Mag. Barbara Weber
Technische Universität Wien
Institut für Photonik
Gußhausstraße 25-29/387,
1040 Wien
T +43/1/58801 - 38730, -38705
F +43/1/58801 - 38799
E karl.unterrainer[at]tuwien.ac.at
E barbara.weber[at]tuwien.ac.at

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Watching (de) Coherence in an Interacting Many Body System:

Quantum coherence and Quantum noise is one of the most puzzling and fascinating aspects of quantum mechanics. Coherence can be observed in interference experiments.
In many-body systems it reveals the non-local correlations and entanglement of underlying many-body state. In experiments reported by Hofferberth et al in the 20th September issue of the journal Nature, the group at the Atominstitut Österreichischer Unversitäten presents experiments on AtomChips studying the interference of one dimensional systems, which reveal how the coherence slowly dies under the influence of an interacting many body system.
For two isolated 1d Bose gases the coherence factor exhibit a universal sub-exponential coherence decay in perfect agreement with Luttinger Liquid theory. For coupled 1d Bose gases the coherence factor is observed to approach a non-zero equilibrium value, the matter wave equivalent of phase locking two lasers by injection.

The non-equilibrium dynamics of super fluids studied by Hofferberth et al. plays an important role in a wide range of physical systems, such as superconductors, quantum-Hall systems, superfluid Helium, and spin systems. These experiments studying coherence dynamics show that 1d Bose gases are ideally suited for investigating this class of phenomena.

Literature:

Hofferberth et al.
Non-equilibrium coherence dynamics in one-dimensional Bose gases nature 449, 324 (2007).

News and Views: E. Altman, E. Demmler:
Relaxation after a tight squeeze nature 449, 296 (2007)

Folman, R., Krüger, P., Schmiedmayer, J., Denschlag, J. & Henkel, C.
Microscopic atom optics: From wires to an atom chip.
Adv. At. Mol. Opt. Phys. 48, 263–356 (2002).

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Der Dekohärenz in Quantensystemen auf der Spur -
Quantensimulation von Kohärenzdynamik in mesoskopischen Quantensystemen

Viele grundlegende physikalische Phänomene in der Festkörperelektronik basieren auf der Quantenphysik niedrigdimensionaler Systeme. Wie das Journal Nature in seiner Ausgabe (449) vom 20.September 2007 berichtet (Abstract), ist es nun Forschern an der TU-Wien und Universität Heidelberg gelungen die Quantendynamik und das Erreichen eines quantenmechanischen Gleichgewichtszustands in einem eindimensionalen System im Detail zu untersuchen.

Bis vor ein paar Jahren galten solche Systeme, deren Physik sich qualitativ stark von der unserer dreidimensionalen Welt unterscheiden kann, lediglich als theoretisches Modell, um die tief in einem Festkörper stattfindenden Vorgänge zu erklären. An eine gut zugängliche experimentelle Realisierung war jedoch nicht zu denken. Dies ist nun Forschern gelungen. Dazu bauten die Physiker eine Magnetfalle mit Hilfe eines AtomChips, in der sie, fern ab von Störeinflüssen die Quantendynamik, eines eindimensionalen atomaren Gases direkt beobachten konnten.

Im Experiment wurden zunächst ultrakalte Rubidiumatome mit einer Temperatur von 100 Mikrokelvin in einer zigarrenförmigen magnetischen Falle eingeschlossen. Anschließend wurde das Gas bis auf ein Zehntel eines Millionstel Grads abgekühlt, um ein so genanntes Bose-Einsten Kondensat zu erzeugen. Dieses Quantengas kann sich, aufgrund der besonderen Fallengeometrie ausschließlich in Längsrichtung frei bewegen und somit als quasi eindimensional betrachtet werden.

Nun verwendeten die Physiker einen Trick der Ihnen zum ersten Mal vor 2 Jahren in Heidelberg gelungen ist. Sie erzeugten einen Quantenzustand bestehend aus zwei ‚identischen’ eindimensionalen Gasen, in dem sich die Atome zur selben Zeit in jeder der beiden Fallen aufhalten. Dieser quantenmechanische Überlagerungszustand, kann mit Hilfe des Quantenphänomens Interferenz nachgewiesen und im Detail untersucht werden. Dies ist analog zu dem Doppelspalt Experiment, bei dem die ‚Lichtquanten’ beide Spalte gleichzeitig durchqueren woraufhin sie beim Auftreffen auf eine Schirm ein Interferenzmuster erzeugen. Im Unterschied hierzu wird im Experiment nicht Licht sondern Materiewellen zur Interferenz gebracht.

Der Überlagerungszustand der beiden eindimensionalen Gase ist nicht der Gleichgewichtszustand des Systems. Er ist sehr fragil und zerfällt aufgrund von Quanten- und thermischen Fluktuationen. Dieser, Dekohärenz genannte Prozess, ist eines der grundlegendsten Phänomene in der Quantenphysik, und letztlich verantwortlich dafür, dass unsere makroskopische Welt durch die klassischen Physik beschrieben werden kann.

Die Dynamik, dieses Dekohärenzprozesses wurde nun direkt im Experiment beobachtet. Nach der anfänglichen Präparation des Überlagerungszustandes wurde das System, bestehend aus zwei eindimensionalen Gaswolken, zunächst für eine gewisse Zeit sich selbst überlassen und dann zur Interferenz gebracht. Aus der Struktur des Interferenzmusters konnte nun auf den Zustand des Quantensystems geschlossen werden.

Hierbei zeigte sich, dass die Kohärenz, d.h. das Maß an präzise bestimmter quantenmechanischer Überlagerung, nach einem charakteristischen Gesetz im Laufe der Zeit zerfällt Dieser Zerfall unterliegt interessanterweise nicht, wie man vermuten könnte, einem exponentiellen Gesetz, sondern folgt einem komplizierteren Verlauf.

Diese experimentell gefunden Gesetzmäßigkeit stimmt sehr gut mit jüngsten theoretischen Vorhersagen von E. Demler und Mitarbeitern an der Harvard Universität überein.

Zu dessen Berechnung mussten die Theoretiker ahs Harvrd annehmen, dass in diesen eindimensionalen Quantensystemen Thermalisierung auftritt. Letzteres ist zurzeit Thema intensiver Diskussionen, da solche Systeme in der klassischen Physik oft ‚integrabel’ sind, und in solchen Systemen keine Themalisierung auftritt. Dies wurde in einem früheren Experiment mit kalten Atomen, in der Gruppe von Dave Weiss an der Penn State Universität beobachtet. In diesem Experiment wurden jedoch ausschließlich klassische Beobachtungsgrößen wie Impuls und Ort untersucht.

Der Verlust an Kohärenz ist auch aus einem weiteren Grund verwunderlich. In der klassischen Physik verhalten sich zwei identische Kopien immer gleich. Umso mehr wenn das System ‚integrabel’ ist. Die Experimente von Hofferberth et al zeigen nun, dass dies in der Quantenwelt nicht zwangsläufig der Fall sein muss, und dass für die Quanteneigenschaften eines Systems ein Gleichgewicht möglicherweise eher erreicht wird als für die klassischen Beobachtungsgrößen.

Darüber hinaus haben die Wiener/Heidelberger Wissenschafter nicht nur das Verhalten getrennter identischer Quantensysteme untersucht, sondern auch den Fall, in dem die beiden durch ein eine Tunnelbarriere, eine so genanntes Weak LINK ähnlich wie in einem supraleitenden SQUID, verbunden sind. Diese Kopplung verhindert eine vollständige Dekohärenz. Der endgültige Gleichgewichtszustand kann dabei annähernd berechnet werden, und stimmt mit den Messergebnissen überein. Für die Dynamik in diesem System gibt es alerdings noch keine exakten theoretischen Vorhersagen.

All die Experimente wurden auf einem AtomChip, einem integrierten Schaltkreis für mikroskopische Experimente mit ultrakalten Atomen, durchgeführt. Die AtomChip Technik wurde über die letzten 10 Jahre vom Prof. Schmiedmayer und seinem Thema entwickelt und perfektioniert.

Die Experimente zeigen, dass Quantengase von ultrakalten kalten Atomen ideal geeignet sind, um fundamentale Probleme der modernen Physik zu erforschen. Die Reinheit und Flexibilität dieser Experimente erlaubt die Untersuchung von allgemeinen Phänomenen. Dies ist für verschiedenste Bereiche der Physik von großem Interesse.

Speziell ermöglichte dieses AtomChip Experiment den Zugang zur Nichtgleichgewichtsquantendynamik. Letztere ist von Relevanz für viele unterschiedliche Gebiete, wie Supraleitung, Festkörperphysik, Quantenelektronik, Quanteninformation und für die Untersuchung fundamentaler Fragestellungen der Quantenmechanik.

Kontakt: Prof. Jörg SCHMIEDMAYER
Atominstitut Österreichischer Universitäten
e-mail: schmiedmayer@atomchip.org
web: www.atomchip.org
tel: +43 1 58801 14101

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