Unerwarteter Dreh im Quantensystem

"Kein Wissenschaftler denkt in Formeln", soll Albert Einstein einmal zu seinem Kollegen Leopold Infeld gesagt haben. Tatsächlich ist es gerade für Physiker, die sich mit so abstrakten Dingen wie der Quantenphysik beschäftigen, häufig ungemein nützlich, mit anschaulichen Bildern statt mathematischen Symbolen zu arbeiten. So ging es auch Forschern um Tilman Esslinger, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, als sie kürzlich einen neuen Effekt in ihrem quantenmechanischen System entdeckten. Obwohl sie in ihrem Experiment winzige Atome und Lichtteilchen untersuchten, konnten sie ihren Beobachtungen mit einem griffigen Bild näherkommen: dem einer Achse, die sich in einem Wellenlager dreht. Ihre Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift "Science" veröffentlicht.

Ein komplexes Quantensystem

"Wir hatten nach diesem Effekt eigentlich gar nicht gesucht", sagt Esslinger. "Erst im Nachhinein haben wir verstanden, was unsere Daten bedeuten." Er und seine Mitarbeiter hatten sich ein sehr komplexes Thema vorgenommen: Ein Quantensystem, in dem die einzelnen Teilchen miteinander wechselwirken und das gleichzeitig von aussen angetrieben wird und dissipativ ist. "Dissipativ" bedeutet, dass sich aufgrund von Energiezerstreuung die Quantenzustände der Teilchen mit der Zeit nicht nur kohärent verändern – also so, dass ihre Überlagerungszustände erhalten bleiben. Stattdessen führt eine kontrollierte Verbindung zur Aussenwelt dazu, dass die Überlagerungszustände nach und nach verschwinden. Ist die Dissipation sehr stark, verschwinden sie sehr schnell, und die Teilchen verhalten sich dann ähnlich wie in der klassischen Physik, die wir aus der täglichen Anschauung kennen. Ohne jegliche Dissipation wiederum wird die zeitliche Entwicklung des Teilchensystems ausschliesslich von der Quantenmechanik bestimmt – eine Idealform, die Physiker zum Beispiel für den Bau von Quantencomputern ausnutzen.

Atomare Muster

"Diese beiden Extreme kann man ganz gut berechnen und verstehen", erklärt Tobias Donner, der als Senior Scientist in Esslingers Labor arbeitet. "Viel schwieriger wird es allerdings bei Systemen in der Mitte, wo kohärente Entwicklung und Dissipation gleich wichtig sind." Um ein solches Quantensystem im Labor zu konstruieren, kühlten die Physiker Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von etwa -​273 Grad Celsius ab und setzten sie einem gebündelten Laserstrahl aus, der die Atome in einer Art Lichtgitter einfängt und antreibt. Jedes der Atome hat dabei einen "Spin", der nach oben oder unten zeigen kann (wie eine Kompassnadel, die nach Norden oder Süden zeigt). Zudem sind die kalten Atome in einem Hohlraum von zwei Spiegeln umgeben, die das von den Atomen gestreute Licht hin-​ und her reflektieren.

Das Zusammenspiel zwischen den Atomen, dem Laserstrahl und dem Licht im Hohlraum führt nun dazu, dass sich die Atome spontan in einem Schachbrettmuster anordnen. Das kann auf zwei Weisen geschehen. In einer Variante befinden sich sozusagen nur auf den "weissen" Feldern Atome, wogegen die schwarzen Felder leer bleiben. In der anderen Variante gibt es ebenfalls zwei Sorten von Feldern, rote und grüne, wobei sich aber auf den roten Feldern nur Atome befinden, deren Spin nach oben zeigt, und auf den grünen nur solche mit nach unten zeigendem Spin.

Überraschende Drehung

Welche dieser beiden Varianten die Atome bevorzugen, hängt von der Schwingungsrichtung des eingestrahlten Laserlichts ab, strikt nach den Regeln der Quantenmechanik – zumindest dann, wenn die Atome keiner Dissipation ausgesetzt sind. Als die Physiker das Experiment in einem Regime durchführten, in dem der Einfluss der Dissipation (durch den Verlust von Lichtteilchen aus dem Hohlraum) gross genug war, geschah plötzlich Ungewöhnliches. "Unsere Daten zeigten nicht mehr eines der beiden Muster an, sondern es schien, als ob die Atome immer wieder mit einem bestimmten Drehsinn durch die Muster rotierten", beschreibt Esslinger die unerwarteten Ergebnisse. "Das war eine spannende Entdeckung – aber wir hatten überhaupt keine Ahnung, warum das passierte."

Eine ungewöhnliche Kraft

Indem sie die quantenmechanischen Gleichungen für ihr Experiment vereinfachten, konnten die Physiker schliesslich eine Parallele zu einem mechanischen System entdecken. Tatsächlich hatten die Formeln eine verblüffende Ähnlichkeit mit denen, die eine rotierende Achse in einem Wellenlager beschreiben. Zwischen Achse und Wellenlager befindet sich eine viskose Schmierflüssigkeit, die für eine gleichmässige Drehung sorgen soll. Entfernt sich die Achse allerdings ein wenig vom Zentrum des Wellenlagers, so entsteht eine eher ungewöhnliche Reibungskraft, die von der Position der Achse abhängt. Die Kraft rührt daher, dass sich entlang einer Richtung der Abstand zwischen der sich drehenden Achse und dem ruhenden Wellenlager verringert und so verschiedene Reibungskräfte auf Achse und Lager wirken. Die resultierende ortsabhängige Kraft zeigt senkrecht zu der Richtung, in die sich die Achse verschoben hat. Als Reaktion darauf beginnt das Achsenzentrum sich spiralförmig um den Mittelpunkt des Wellenlagers zu bewegen.

Nun, da die Physiker den unerwarteten Quanteneffekt mit einem anschaulichen Bild beschreiben können, denken sie bereits an den nächsten Schritt: ihn auszunutzen, um Quantensysteme gezielt zu steuern und zu kontrollieren. "Normalerweise führt Dissipation dazu, dass sich bestehende Quanteneffekte ändern oder abschwächen – aber hier haben wir einen Effekt, der durch Dissipation erst zustande kommt", sagt Esslinger. Ob ähnliche Effekte vielleicht häufiger in Quantensystemen auftreten und wie sich diese in der aktuell entstehenden Quantentechnologie nutzen lassen, sind daher Fragen, die die Forscher jetzt umtreiben.
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Literaturhinweis:
Dogra N, Landini M, Kroeger K, Hruby L, Donner T, Esslinger T: Dissipation-​induced structural instability and chiral dynamics in a quantum gas. Science, Vol. 366, Issue 6472, pp. 1496-​1499 (2019) DOI: 10.1126/science.aaw4465