Quantensysteme: Gleich, aber anders

Bemerkenswerte Regeln wurden im scheinbaren Chaos von Ungleichgewichtsprozessen entdeckt. Unterschiedliche Systeme verhalten sich in vielerlei Hinsicht identisch, wenn sie derselben „Universalitätklasse“ angehören. Das bedeutet, dass Experimente mit einfach zu handhabenden Quantensystemen durchgeführt werden können, um präzise Informationen über Systeme zu erhalten, die im Experiment nicht direkt untersucht werden können – wie beispielsweise der Urknall.

Einige Phänomene sind so kompliziert, dass es unmöglich ist, sie genau zu berechnen. Dazu gehören große Quantensysteme, die aus vielen Partikeln bestehen, insbesondere wenn sie sich nicht im Gleichgewichtszustand befinden, sich aber schnell verändern. Solche Beispiele sind das wilde Partikelinferno, das in Teilchenbeschleunigern auftritt, wenn große Atome aufeinander prallen, oder Bedingungen kurz nach dem Urknall, wenn sich Partikel schnell ausdehnten und dann abkühlten.

An der TU Wien und der Universität Heidelberg wurden bemerkenswerte Regeln im scheinbaren Chaos von Ungleichgewichtsprozessen entdeckt. Dies deutet darauf hin, dass solche Prozesse in Universalitätsklassen eingeteilt werden können. Systeme, die zur gleichen Klasse gehören, verhalten sich in vielerlei Hinsicht identisch. Das bedeutet, dass Experimente mit einfach zu handhabenden Quantensystemen durchgeführt werden können, um präzise Informationen über andere Systeme zu erhalten, die nicht direkt im Experiment untersucht werden können. Diese Ergebnisse wurden inzwischen in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Universelle Regeln

„Universalität ist aus anderen Bereichen der Physik bekannt“, sagt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Institut für Atom- und Subatomare Physik der TU Wien. „Wenn Sie Phasenübergänge untersuchen, z.B. Materialien, die sehr nahe am Schmelzpunkt liegen, können Sie bestimmte Eigenschaften mit sehr universellen Formeln beschreiben, wie z.B. den Zusammenhang zwischen der spezifischen Wärme und der Temperatur.“ Die mikroskopischen Details des Schmelzprozesses spielen dabei keine Rolle. Sehr unterschiedliche Materialien können den gleichen einfachen Gleichungen folgen.

„Es ist jedoch völlig erstaunlich, dass eine solche Universalität auch in Quantensystemen zu finden ist, die weit entfernt von einem Gleichgewichtszustand sind“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Auf den ersten Blick würde man das nicht erwarten: Warum sollte ein Quantensystem, das aus vielen Teilchen besteht, die sich extrem schnell ändern, allen universellen Gesetzen gehorchen?“ Dennoch haben theoretische Arbeiten von Jürgen Berges und Thomas Gasenzers Gruppen der Universität Heidelberg genau das vorhergesagt. Diese bemerkenswerten Vorhersagen wurden nun an der TU Wien und in Heidelberg zweimal gleichzeitig verifiziert.

Die schnelle und die langsame Richtung

Das Experiment in der Gruppe von Prof. Schmiedmayer am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) am Institut für Atom- und Subatomphysik (TU Wien) verwendet eine ganz spezielle Atomfalle. Auf einem Atomchip können Tausende von Rubidiumatomen eingefangen und durch elektromagnetische Felder gekühlt werden. „In diesem Prozess erzeugen wir eine Atomwolke mit einer kurzen und einer langen Richtung, ähnlich einer Zigarre“, erklärt Sebastian Erne, der Hauptautor der Studie.

Zunächst bewegen sich die Atome mit gleicher Geschwindigkeit in alle Richtungen. Die Atomfalle kann jedoch in die kurze (Quer-)Richtung geöffnet werden, so dass die Atome, die sich in dieser Richtung besonders schnell bewegen, wegfliegen. Dabei bleiben nur Atome zurück, die eine relativ geringe Geschwindigkeit in Querrichtung aufweisen.

„Die Geschwindigkeitsverteilung in eine Richtung wird so schnell verändert, dass sich die Geschwindigkeitsverteilung in die andere Richtung, entlang der längeren Achse der Zigarre, in dieser Zeit praktisch gar nicht ändert“, sagt Sebastian Erne. „Als Ergebnis erzeugen wir einen Zustand, der weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht ist.“ Kollisionen und Wechselwirkungen führen dann zu einem Energieaustausch zwischen den Atomen, der als Thermalisierung bezeichnet wird.

„Unser Experiment zeigt, dass der Verlauf dieser Thermifizierung einem universellen Gesetz folgt und nicht von Details abhängig ist“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Unabhängig davon, wie wir mit der Thermalisierung begonnen haben, kann der Übergang immer mit der gleichen Formel beschrieben werden.“

Ähnlich verhält es sich für das Heidelberger Forschungsteam. Auch dort begannen sie mit einer verlängerten Atomwolke. Das Heidelberger Team untersuchte jedoch nicht die Geschwindigkeit, sondern den Spin (den intrinsischen Drehimpuls) der Partikel. Sie kontrollierten zunächst die Drehrichtungen der Atome und beobachteten dann, wie sich diese Richtungen im Laufe der Zeit durch Wechselwirkungen zwischen den Atomen ändern.

Diese Änderung kann mit den gleichen Formeln beschrieben werden wie die des anderen Experiments: „In unserem Fall ist die physikalische Situation ganz anders als beim Experiment der TU Wien, aber die Dynamik folgt auch den universellen Skalierungsgesetzen“, erklärt Maximilian Prüfer (Heidelberg), Erstautor der Heidelberg Publikation.

„Wir haben einen Prozess gefunden, der auch der Universalität gehorcht, aber zu einer anderen Universalität gehört. Das ist großartig, denn es bestätigt unsere Theorien sehr überzeugend und deutet darauf hin, dass wir wirklich an etwas dran sind – an einem neuen, grundlegenden Gesetz“, sagt Markus Oberthaler (auch Heidelberg).

Von einem System über andere lernen

Universalität erhöht die Möglichkeit, wichtige Informationen über Quantensysteme zu erhalten, die in einem Labor normalerweise nicht zugänglich sind. „Niemand kann den Urknall in einem Labor nachbilden, aber wenn wir die Universalität kennen, zu der er gehört, können wir andere Quantensysteme in derselben Klasse betrachten und indirekt universelle Eigenschaften während des Urknalls untersuchen“, erklärt Schmiedmayer. „Ein besseres Verständnis des Verhaltens von Quantensystemen mit vielen Partikeln, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, ist heute eines der dringlichsten Themen in der Physik. Selbst mit den besten Supercomputern gibt es keine Chance, diese Ereignisse genau zu berechnen, und so sind unsere Universalitätsklassen eine große Chance, etwas Neues zu lernen.“

Mehr Informationen:
Universelle Dynamik in einem isolierten eindimensionalen Bose-Gas fernab des Gleichgewichts, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0667-0, https://www.nature.com/articles/s41586-018-0667-0

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 22 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares