Physiker weisen erstmals Spin-Symmetrie in Atomen nach

Symmetrie spielt in der Physik eine wichtige Rolle. Auch in der Quantenphysik wurde Symmetrie beim Spin von Atomen erwartet und nun erstmals von US-Forschern gemeinsam mit Quantenphysikern aus Innsbruck nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Science Express publiziert.
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Bild: Illustration der Symmetrie in den Spin-Zuständen von Strontium-Atomen. Atome mit unterschiedlichen Spin-Zuständen (unten) interagieren häufiger als solche mit gleichen Spin-Zuständen (oben), in beiden Fällen allerdings mit der gleichen Stärke. (Foto: Ye and Rey groups and Steve Burrows/JILA)

In mehreren Bereichen spielen Symmetrien in der Physik eine wichtige Rolle – so verhalten sich etwa Antimaterie und Materie trotz ihrer umgekehrten Ladungen von Positronen und Elektronen gleich. In der Quantenphysik wurde beim Spin (Drehimpuls) von Atomen ebenfalls Symmetrie erwartet, konnte bisher aber nicht nachgewiesen werden. Nun gelang es US-Forschern erstmals, diese Spin-Symmetrie und ihre Auswirkungen zu belegen, wie sie nun in Science Express beschreiben. An diesem Nachweis waren auch Prof. Peter Zoller und Dr. Christina Kraus von der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften beteiligt.

Drehimpuls von Strontium-Atomen

Gelungen ist der Nachweis anhand von Strontium-Atomen, deren Spin zehn verschiedene Zustände einnehmen kann. Der Drehimpuls beeinflusst das magnetische Verhalten der Atome. Die Forscher des Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, einem Forschungsinstitut der Universität Colorado und des National Institute of Standards and Technology (NIST), verwendeten für ihr Experiment die weltweit stabilste und genaueste Atomuhr, bei der 600 bis 3.000 Strontium-Atome in einer Laserlicht-Falle gehalten werden. Bei den Strontium-Atomen in der Uhr sind die zehn möglichen Spin-Zustände dieses Elements zufällig verteilt, der Laser kann allerdings dazu verwendet werden, die Spin-Eigenschaften der Atome zu beeinflussen.

Die Forscher haben so untersucht, wie und ob der nukleare Spin der Strontium-Atome ihre Interaktion (Kollision) beeinflusst. Dabei zeigte sich, dass die Interaktion zweier Atome bei gleichem Spin schwächer war als bei unterschiedlichen Spin-Zuständen der kollidierenden Atome – sie kollidierten weniger häufig. Auf die Stärke der Kollisionen hatte der Spin allerdings keinen Einfluss: Diese einfachste Wechselwirkung von Atomen ist also nicht vom Spin abhängig, wohl aber ihre Häufigkeit.

Praktische Anwendungen

Von diesen Erkenntnissen erhoffen sich die Forscher eine leichtere Simulation und ein besseres Verständnis von Phänomenen wie der Supraleitung – der Stromleitung ohne Widerstand – und dem Riesen-Magnetowiderstand – der drastischen Änderung des elektrischen Flusses in Gegenwart eines Magnetfelds. Bei beiden Phänomenen spielt der Atom-Spin eine wichtige Rolle.