Quantensprung von „drei" nach „vier"

(english version)

Einen neuen Einblick in das außerordentlich komplexe Mehrkörperproblem gibt die Forschungsgruppe um Rudolf Grimm von der Universität Innsbruck. Die Quantenphysiker konnten in einem ultrakalten Gas aus Cäsiumatomen erstmals Vierkörperzustände nachweisen, die eng mit den sogenannten Efimov-Zuständen verbunden sind. Die Forscher berichten darüber in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Vor kurzem haben zwei Gruppen von Theoretikern die Existenz von Vierkörperzuständen vorhergesagt, die eng mit den sogenannten Efimov-Dreikörperzuständen verbunden sind. Ein Team des Instituts für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat diese Zustände nun erstmals in einem ultrakalten Gas aus Cäsiumatomen indirekt nachgewiesen. In bestimmten Energieabständen von einem Efimov-Zustand haben sie zwei Verlustresonanzen entdeckt, die ein starkes Indiz für die Existenz von zwei mit dem Efimov-Zustand eng verbundenen Vierkörperzuständen sind. „Ultrakalte Atomwolken bieten sehr gute Möglichkeiten, diese Mehrkörperphänomene modellhaft zu studieren", erklärt die Nachwuchswissenschaftlerin Francesca Ferlaino, „denn wir können die Kräfte und damit die Abstände zwischen den Teilchen sehr genau kontrollieren."

Mehrkörperprobleme zählen zu den schwierigsten Fragen der Physik, deren Lösung seit Jahrhunderten die klügsten Köpfe der Naturwissenschaft beschäftigt hat. Ausgefeilte Methoden und ein enormer numerischer Rechenaufwand sind heute notwendig, um solche Probleme zu lösen. Auf der Suche nach einfachen Gesetzmäßigkeiten in den komplexen Zusammenhängen von mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Objekten ist die Wissenschaft nun wieder einen wichtigen Schritt weiter gekommen.

Grundlage dafür war die Entdeckung des russischen Physikers Vitali Efimov, der Anfang der 1970er-Jahre eine Reihe von Dreikörperzuständen vorhersagte, die durch quantenphysikalische Eigenschaften zustande kommen und auch dadurch gekennzeichnet sind, dass die drei Teilchen sich zu einem schwach gebundenen Objekt vereinen können, obwohl sie paarweise zu keiner Verbindung imstande sind. Der Arbeitsgruppe um Rudolf Grimm gelang es 2006 - mehr als 35 Jahre nach der Entdeckung durch Efimov - dieses Phänomen im Labor erstmals nachzuweisen. Seither hat sich die Erforschung von Efimov-Zuständen zu einem eigenen Feld innerhalb der Physik ultrakalter Atome entwickelt.

Über ihre Beobachtungen berichten die Innsbrucker Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Unterstützt wurden sie vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF. Die Italienerin Francesca Ferlaino war Lise-Meitner-Stipendiatin des FWF und ist seit drei Jahren als Nachwuchsforscherin in der Gruppe von Rudolf Grimm in Innsbruck tätig. Nun baut die erfolgreiche Forscherin am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck eine eigene Forschungsgruppe auf.


Bilder finden Sie unter: http://www.uibk.ac.at/public-relations/presse/medienservice/index.html#pa_34

Publikation: Evidence for Universal Four-Body States Tied to an Efimov Trimer. Ferlaino F, Knoop S, Berninger M, Harm W, D'Incao JP, Nägerl HC, and Grimm R. Phys. Rev. Lett. 102, 140401 (2009)

Weitere Informationen: Viewpoint: Ultracold experiments strike universal physics-again. B. D. Esry. Physics 2, 26 (2009)

Kontakt:
Dott. Francesca Ferlaino
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Technikerstraße 25, A-6020 Innsbruck,
Tel.: +43 512 507 6377
Email: Francesca.Ferlaino@uibk.ac.at
Web: http://www.ultracold.at


From three to four: a quantum leap in few-body physics

Scientists from the University of Innsbruck led by Rudolf Grimm offer new insights into the extremely complex few-body problem. For the first time, the quantum physicists provide evidence of universal four-body states that are closely connected to Efimov states, in an ultracold sample of cesium atoms. The scientists have just published their findings in the journal Physical Review Letters.

In 2007 and 2008 two groups of theoretical physicists (Hammer and Platter, and von Stecher, D'Incao, and Greene) predicted the existence of universal four-body states that are closely tied to Efimov trimer states. Now, a team of scientists of the Institute for Experimental Physics of the University of Innsbruck, Austria, has proven these states experimentally in an ultracold gas of cesium atoms. At particular energy separations from an Efimov state, they found two four-body loss resonances, which are a strong evidence for the existence of a pair of four-body states closely tied to Efimov trimers. „Ultracold atomic clouds provide a very good system to study these few-body phenomena in experiments", Francesca Ferlaino says, „because we are able to accurately control the interaction conditions and, thus, the separation between the particles."

Few-body problems are among the most difficult ones in physics and for centuries the cleverest minds have been engaged in looking for solutions to the problems that arise in this field. Today it takes comprehensive experiments and an enormous numerical computing effort to solve the problems. The scientific world has now made an important step towards finding simple laws for the complex relations between several interacting objects.

The starting point was the discovery of the Russian physicist Vitali Efimov at the beginning of the 1970s, who predicted the existence of an infinite series of universal three-body quantum states. One of the remarkable properties is the fact that three particles bind to form a weakly bound entity - a trimer - while a dimer of the same particles is not formed. In 2006, 35 years after Efimov presented his paradigm, scientists led by Rudolf Grimm succeeded in proving the phenomenon experimentally and the research on Efimov states has now become a field of research in its own right in the physics of ultracold atoms.

The Innsbruck scientists report on their findings in the journal Physical Review Letters. The project is supported by the Austrian Science Fund (FWF). The successful Italian physicist Francesca Ferlaino, who has worked as a junior scientist in Rudolf Grimm's group for three years, is supported by the Lise-Meitner program of the Austrian Science Fund. She has started to establish her own research group at the Institute for Experimental Physics of the University of Innsbruck.

For illustrations go to: http://www.uibk.ac.at/public-relations/presse/medienservice/index.html#pa_34

Publication: Evidence for Universal Four-Body States Tied to an Efimov Trimer. Ferlaino F, Knoop S, Berninger M, Harm W, D'Incao JP, Nägerl HC, and Grimm R. Phys. Rev. Lett. 102, 140401 (2009)

Further information: Viewpoint: Ultracold experiments strike universal physics-again. B. D. Esry. Physics 2, 26 (2009)

Contact:
Dott. Francesca Ferlaino
Institute for Experimental Physics
University of Innsbruck
Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck, Austria
phone: +43 512 507 6377
Email: Francesca.Ferlaino@uibk.ac.at
Web: http://www.ultracold.at