Die Bewegungen mehrerer, miteinander wechselwirkender Körper zu verstehen, gehört zu den zentralen Forschungsfragen in der Physik. Während zunächst das Verständnis der Bahnen von Himmelskörpern im Vordergrund stand, hat diese Fragestellung in quantenmechanischen Vielteilchensystemen, beispielsweise bei der Beschreibung von Elektronen in einem Festkörper, seine moderne Entsprechung gefunden. Physikern der Universität Heidelberg ist nun der erste Schritt auf einem neuen Weg zur Klärung solcher Zusammenhänge gelungen. In ihrem Experiment mit ultrakalten Lithiumatomen erzeugte die Gruppe um Prof. Dr. Selim Jochim vom Physikalischen Institut einen fundamentalen Baustein, der in Zukunft als Grundlage für die Untersuchung von Vielteilchensystemen dienen soll. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ("Two Fermions in a Double Well: Exploring a Fundamental Building Block of the Hubbard Model") veröffentlicht und mit einer "Editor‘s Suggestion" ausgezeichnet. 
Quantendynamik zweier Teilchen in einem Doppeltopf. Bei attraktiver Wechselwirkung zwischen den Atomen bilden die Atome ein Paar, und tunneln gemeinsam von Topf zu Topf. Bei repulsiver Wechselwirkung meiden sich die Atome und befinden sich jeweils in einem eigenen Topf. Durch Verkippen der Töpfe können beide Atome im linken oder rechten Topf lokalisiert werden. Die Heidelberger Wissenschaftler bedienten sich hierbei einer, wie sie betonen, weltweit einzigartigen Methode, mit der sie kontrolliert Systeme aus wenigen Atomen in einer sogenannten optischen Falle erzeugen können. In den nun veröffentlichten Experimenten fügten die Physiker diesem System noch eine weitere solche Falle hinzu und erlaubten den Atomen, zwischen diesen beiden "Töpfen" hin und her zu tunneln. Bei der Untersuchung zweier Atome konnten dabei konkurrierende Effekte zwischen der Bewegung der Atome und ihrer gegenseitigen Wechselwirkung beobachtet werden. Ziehen sich die Atome an, so bilden sie bevorzugt ein Paar, wohingegen Abstossung dazu führt, dass jedes der Atome sich in einem eigenen Topf befindet. Dieser hohe Grad an Kontrolle über ein System aus zwei Atomen stimmt die Wissenschaftler optimistisch, in Zukunft auch grössere Systeme aus mehr Töpfen und Atomen präparieren zu können. "Uns ist es jetzt gelungen, gewissermassen einen ersten Lego-Stein zu produzieren, auf den künftig weitere Bausteine aufgesteckt werden können, um ein Vielteilchensystem zu erzeugen", erklärt Simon Murmann, einer der Doktoranden in der Arbeitsgruppe. "Das Aussergewöhnliche daran ist die in den aktuellen Experimenten demonstrierte Einstellbarkeit des Tunnelns und der Wechselwirkung der Atome, die erhebliche Konsequenzen für die Eigenschaften des Vielteilchensystems haben wird", ergänzt Selim Jochim. Von besonderem Interesse sind diese Arbeiten, da die an Atomen beobachtete Dynamik vergleichbar ist mit dem Verhalten von Elektronen, die in einem Festkörper von einem Gitterplatz zum nächsten tunneln. So gelang es den Wissenschaftlern, ihr System mithilfe eines Modells zu beschreiben, das ursprünglich für die Leitfähigkeit elektronischer Systeme entwickelt worden war. Diese Vorgehensweise, quantenmechanische Modelle durch experimentell kontrollierbare Systeme nachzustellen, ist als "Quantensimulation" bekannt und gilt als Schlüssel zur Lösung von quantenmechanischen Vielteilchenproblemen. Die grösste Herausforderung sehen die Heidelberger Physiker darin, auch in grossen Systemen jederzeit die Kontrolle über alle Atome zu behalten, um schliesslich exakte Messungen durchführen zu können. Mit diesen hoffen die Wissenschaftler zum Verständnis noch ungeklärter Effekte, wie beispielsweise der Hochtemperatursupraleitung, beitragen zu können.
Quantendynamik zweier Teilchen in einem Doppeltopf. Bei attraktiver Wechselwirkung zwischen den Atomen bilden die Atome ein Paar, und tunneln gemeinsam von Topf zu Topf. Bei repulsiver Wechselwirkung meiden sich die Atome und befinden sich jeweils in einem eigenen Topf. Durch Verkippen der Töpfe können beide Atome im linken oder rechten Topf lokalisiert werden. Die Heidelberger Wissenschaftler bedienten sich hierbei einer, wie sie betonen, weltweit einzigartigen Methode, mit der sie kontrolliert Systeme aus wenigen Atomen in einer sogenannten optischen Falle erzeugen können. In den nun veröffentlichten Experimenten fügten die Physiker diesem System noch eine weitere solche Falle hinzu und erlaubten den Atomen, zwischen diesen beiden "Töpfen" hin und her zu tunneln. Bei der Untersuchung zweier Atome konnten dabei konkurrierende Effekte zwischen der Bewegung der Atome und ihrer gegenseitigen Wechselwirkung beobachtet werden. Ziehen sich die Atome an, so bilden sie bevorzugt ein Paar, wohingegen Abstossung dazu führt, dass jedes der Atome sich in einem eigenen Topf befindet. Dieser hohe Grad an Kontrolle über ein System aus zwei Atomen stimmt die Wissenschaftler optimistisch, in Zukunft auch grössere Systeme aus mehr Töpfen und Atomen präparieren zu können. "Uns ist es jetzt gelungen, gewissermassen einen ersten Lego-Stein zu produzieren, auf den künftig weitere Bausteine aufgesteckt werden können, um ein Vielteilchensystem zu erzeugen", erklärt Simon Murmann, einer der Doktoranden in der Arbeitsgruppe. "Das Aussergewöhnliche daran ist die in den aktuellen Experimenten demonstrierte Einstellbarkeit des Tunnelns und der Wechselwirkung der Atome, die erhebliche Konsequenzen für die Eigenschaften des Vielteilchensystems haben wird", ergänzt Selim Jochim. Von besonderem Interesse sind diese Arbeiten, da die an Atomen beobachtete Dynamik vergleichbar ist mit dem Verhalten von Elektronen, die in einem Festkörper von einem Gitterplatz zum nächsten tunneln. So gelang es den Wissenschaftlern, ihr System mithilfe eines Modells zu beschreiben, das ursprünglich für die Leitfähigkeit elektronischer Systeme entwickelt worden war. Diese Vorgehensweise, quantenmechanische Modelle durch experimentell kontrollierbare Systeme nachzustellen, ist als "Quantensimulation" bekannt und gilt als Schlüssel zur Lösung von quantenmechanischen Vielteilchenproblemen. Die grösste Herausforderung sehen die Heidelberger Physiker darin, auch in grossen Systemen jederzeit die Kontrolle über alle Atome zu behalten, um schliesslich exakte Messungen durchführen zu können. Mit diesen hoffen die Wissenschaftler zum Verständnis noch ungeklärter Effekte, wie beispielsweise der Hochtemperatursupraleitung, beitragen zu können.
Figure 1: The composite material has properties that vary with direction. Here, a RIKEN logo can be viewed clearly through the material from two directions, whereas the material is opaque when viewed orthogonally to the aligned titanate nanosheets. Ishida and his co-workers developed a hydrogel — a crosslinked polymer that entraps a large amount of water yet retains a relatively firm structure — containing titanate nanosheets. These nanosheets have a very large aspect ratio, being less than a nanometer thick but about 10,000 times wider, and the nanosheet surfaces are highly negatively charged. This charge gives rise to electrostatic repulsion between the sheets, causing them to disperse readily in the hydrogel. When placed in a magnetic field, the titanate nanosheets align face-to-face, parallel to the magnetic field — an alignment that differs from that of other metal oxides. The ordering can then be fixed in place by the formation of a crosslinked hydrogel around the nanosheets. Although the alignment direction of the nanosheets can be confirmed using techniques such as transmittance spectroscopy and x-ray diffraction, the alignment is actually apparent to the naked eye — viewed along the direction of the applied magnetic field, the material is opaque, but from other directions it is highly transparent (Fig. 1). Materials design has often exploited attractive forces between oppositely charged components to improve material strength. The use of repulsive forces as in this titanate nanosheet hydrogel is rare but in this system affords some potentially useful applications, such as artificial cartilage. “As people age,” explains Ishida, “their cartilage becomes weak, and once someone begins to have difficulty walking, they quickly lose other abilities. The mechanical properties of this new material mimic those of natural cartilage, tolerating heavy loads vertically, but deforming easily horizontally. This anisotropic behavior is also maintained for a long time in physiological saline.” To achieve the goal of developing a fully compatible artificial cartilage material, the research team is now working to improve the material’s mechanical toughness, anisotropy and durability for long-term use.
Figure 1: The magnetic whirls that form skyrmions can be probed by sound waves. The arrows show the different orientation of magnetic moments across an array of skyrmions. (Image: Yoichi Nii, RIKEN Center for Emergent Matter Science) Magnetic data storage is achieved by imprinting magnetic information into a storage medium. The ‘up’ or ‘down’ direction of the magnetic orientation or ‘moment’ in the medium represents the digital information that is stored. However, as the storage density of computer hard drives increases, the physical size of the area used to store this information becomes smaller and the magnetic moments can easily misalign due to thermal fluctuations. Skyrmions are a promising alternative to solve such issues. In a skyrmion, the magnetic moments do not point in a particular direction but instead form small whirls (Fig. 1) that are particularly stable due to their complex structure. This stability allows skyrmions to be placed much closer to each other than is possible using normal polarized magnetic domains, resulting in a higher density of information storage. As only a few materials are known to form skyrmions, and then only under specific conditions, many of the properties of these unusual magnetic features remain unexplored. Noting that the underlying crystal structure of the material allows skyrmions to form, Yoichi Nii and colleagues from the RIKEN Center for Emergent Matter Science examined whether ultrasonic sound waves could be used to probe some of the mechanical properties of these magnetic whirls. By applying a sound wave with a frequency of 18 megahertz, the researchers were able to measure the elastic stiffness of the skyrmions from the tiny distortions across the crystal induced by ultrasonic energy. The minute signature of the skyrmions was detectable at certain resonances, although the much larger response from the crystal atoms made this challenging. “As skyrmions are extremely ‘soft’, we have to measure the relative change precisely with an accuracy of one part in a million,” explains Nii. The successful observation of the tiny skyrmion signals demonstrates that ultrasound could be used as a convenient tool to search for skyrmions in other materials. Moreover, comments Nii, the technique could also offer a new means of control. “We might be able to manipulate skyrmions using the local forces at the tip of an atomic force microscopy cantilever, for example. This could be an interesting approach for operating skyrmion devices.”