Wie sich komplexe Schwingungen in einem Quantensystem mit der Zeit vereinfachen

Die Verteilung der Phononen ist zunächst komplex (obere Kurven) und vereinfacht sich mit der Zeit zu einer Gausschen Glockenkurve (untere Kurve).

Die Verteilung der Phononen ist zunächst komplex (obere Kurven) und vereinfacht sich mit der Zeit zu einer Gausschen Glockenkurve (untere Kurve). © S. Sotiriadis / Freie Universität Berlin

Mit einem raffinierten Experiment haben Physiker gezeigt, dass sich in einem eindimensionalen Quantensystem die zunächst komplexe Verteilung von Schwingungen oder Phononen mit der Zeit in eine einfache Gaußsche Glockenkurve verwandeln kann. Das Experiment fand an der Technischen Universität Wien statt, während die theoretischen Überlegungen von einer gemeinsamen Forschergruppe der Freien Universität Berlin und des HZB durchgeführt wurden.

Die Quantenphysik erlaubt es, Aussagen über das Verhalten verschiedenster Vielteilchensysteme auf atomarer Ebene zu treffen, vom Salzkristall bis zum Neutronenstern. In Quantensystemen haben viele Parameter keine konkreten Werte, sondern sind über verschiedene Werte mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten verteilt. Oft hat diese Verteilung die Form einer einfachen Gauß'schen Glockenkurve, wie sie auch in klassischen Systemen anzutreffen ist, z. B. die Verteilung der Kugeln im Zufallsbrett (Galton-Nagelbrett). Allerdings folgen nicht alle Quantensysteme diesem einfachen Verhalten und einige können aufgrund von Wechselwirkungen von der Gaußverteilung abweichen.

Prof. Dr. Jens Eisert leitet an der Freien Universität Berlin und am Helmholtz-Zentrum Berlin eine gemeinsame Arbeitsgruppe für Theoretische Physik. Er argumentiert, dass solche Abweichungen mit der Zeit abklingen und gaußverteilt werden, sobald die Wechselwirkungen reduziert werden. Nun konnte er diese Vermutung experimentell untermauern.

Dazu arbeitete das Berliner Team mit einer Gruppe von Experimentalphysikern um Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer von der Technischen Universität Wien zusammen. Schmiedmayer und Mitglieder seiner Gruppe, insbesondere Dr. Thomas Schweigler, präparierten ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat: Dabei handelt es sich um ein Quantensystem aus mehreren tausend Rubidium-Atomen, die mit Hilfe von Magnetfeldern in einer quasi eindimensionalen Konfiguration eingeschlossen und nahe dem absoluten Nullpunkt (50 Nanokelvin) abgekühlt wurden.

"Die Wiener Gruppe hat ein synthetisches Quantensystem geschaffen, in dem die Verteilung der Phononen besonders scharf beobachtet werden kann", erklärt Dr. Marek Gluza, Koautor der Studie und Postdoc bei Jens Eisert. Die Messdaten bilden zunächst die komplexe Dynamik der Phononen ab. Doch die Komplexität geht mit der Zeit verloren und die Verteilung nimmt die Form einer Gaußschen Glockenkurve an.

"Tatsächlich können wir hier sehen, wie sich mit der Zeit eine Gauß-Verteilung herausbildet. Die Natur findet durch ihre physikalischen Gesetze ganz von selbst eine einfache Lösung", kommentiert Jens Eisert.

Das Einzigartige an dem durchgeführten Experiment ist, dass das System im Laufe der Zeit wieder zu der komplexeren Verteilung zurückschwingt. Die Signaturen des komplizierten Zustands tauchen wieder auf. "Wir wissen genau, warum es zurückschwingt und wovon es abhängt", erklärt Gluza. "Das zeigt uns etwas über die Isolation des Systems, denn die Information über die Signaturen hat das System nie verlassen".

arö


Das könnte Sie auch interessieren

  • BESSY II: Wie das gepulste Laden die Lebensdauer von Batterien verlängert
    Science Highlight
    08.04.2024
    BESSY II: Wie das gepulste Laden die Lebensdauer von Batterien verlängert
    Ein verbessertes Ladeprotokoll könnte die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verlängern. Das Laden mit hochfrequentem gepulstem Strom verringert Alterungseffekte. Dies zeigte ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm (HZB und Humboldt-Universität) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und der Aalborg University in Dänemark. Besonders aufschlussreich waren Experimente an der Röntgenquelle BESSY II.
  • Neutronenexperiment am BER II deckt neue Spin-Phase in Quantenmaterial auf
    Science Highlight
    18.03.2024
    Neutronenexperiment am BER II deckt neue Spin-Phase in Quantenmaterial auf
    In quantenmagnetischen Materialien unter Magnetfeldern können neue Ordnungszustände entstehen. Nun hat ein internationales Team aus Experimenten an der Berliner Neutronenquelle BER II und am dort aufgebauten Hochfeldmagneten neue Einblicke in diese besonderen Materiezustände gewonnen. Der BER II wurde bis Ende 2019 intensiv für die Forschung genutzt und ist seitdem abgeschaltet. Noch immer werden neue Ergebnisse aus Messdaten am BER II publiziert.
  • Wo Quantencomputer wirklich punkten können
    Science Highlight
    15.03.2024
    Wo Quantencomputer wirklich punkten können
    Das Problem des Handlungsreisenden gilt als Paradebeispiel für kombinatorische Optimierungsprobleme. Nun zeigt ein Berliner Team um den theoretischen Physiker Prof. Dr. Jens Eisert der Freien Universität Berlin, dass eine bestimmte Klasse solcher Probleme tatsächlich durch Quantencomputer besser und sehr viel schneller gelöst werden kann als mit konventionellen Methoden.