Atomwolken auf dem Weg ins Chaos "erinnern sich" an frühere Ordnung

1. März 2013, 20:25
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TU-Wien-Forscher zeigen: Übergang von der Ordnung zur Unordnung laufen quantenphysikalisch anders ab als gedacht

So wie Moleküle in einer Flüssigkeit einen ungeordneten Gleichgewichtszustand anstreben, so wollen auch Atomwolken diesen Status erreichen - auf dem Weg dorthin erhalten sich die Teilchen allerdings eine "Erinnerung" an ihre frühere Ordnung. Messungen am Atominstitut der TU Wien zeigen, dass der Übergang von der Ordnung zum Chaos quantenphysikalisch ganz anders ablaufen kann als in unserer Alltagserfahrung.

Eiswürfel im Cocktailglas schmelzen, bis ein dauerhafter Gleichgewichtszustand erreicht ist, in dem sie aufgegangen sind. Danach ist die geometrische Form der Eiswürfel völlig verloren: Die Flüssigkeit enthält keine "Erinnerung" mehr an sie, aus einem geordneten Eiskristall sind ungeordnete Wassermoleküle geworden. Bei ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten ist das anders: Die höchst geordneten Wolken extrem kalter Teilchen streben zwar ebenfalls einem ungeordneten Gleichgewichtszustand entgegen, doch eine "Erinnerung" an ihren ursprünglichen Zustand behalten sie erstaunlich lange. Wie sich nun zeigt, hängt dieses Phänomen bemerkenswerterweise nicht von der Temperatur ab, es scheint sich also um eine recht stabile, grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik zu handeln.

Überraschender Zwischenzustand am Weg ins Chaos

Schon im vergangenen Jahr gelang es der Forschungsgruppe rund um Jörg Schmiedmayer am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), Atominstitut der TU Wien, den überraschenden Zwischenzustand zwischen Ordnung und Unordnung zu finden: Die Atome eines ultrakalten Bose-Einstein-Kondensats streben einem ungeordneten Gleichgewichtszustand entgegen, in dem ihre quantenphysikalischen Eigenschaften nicht mehr sichtbar sind.
Das geschieht allerdings nicht kontinuierlich, wie beim schmelzenden Eiswürfel, sondern über die Zwischenstufe eines sogenannten "prä-thermalisierten Zustands", in dem die Atome erstaunlich lange verharren, ohne ihren quantenphysikalischen Ursprung zu vergessen.

"Teilt man die Atom-Wolke in zwei Teile und führt diese dann wieder zusammen, werden Wellen-Muster sichtbar", erklärt Schmiedmayer. "Sie sind der Beweis dafür, dass in den Atom-Wolken noch immer die Erinnerung daran vorhanden ist, aus einem quantenphysikalisch höchst geordneten Zustand hervorgegangen zu sein."

Nun gelang es dem Forschungsteam, den Übergang in diesen Zwischenzustand genauer zu untersuchen – und dieser Übergang erweist sich als bemerkenswert stabil gegenüber unterschiedlichen äußeren Bedingungen. Aus unserem Alltag sind wir das Gegenteil gewohnt: "Stellen wir uns vor, ein Zimmer ist mit Luft gefüllt und im Nebenzimmer herrscht Vakuum", sagt Max Kuhnert vom Atominstitut der TU Wien. "Wenn wir die Tür dazwischen öffnen, strebt dieses System in ein Gleichgewicht, bis die Luftmoleküle gleichmäßig zwischen den beiden Räumen verteilt sind. Dieser Übergang wird allerdings stark von äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur bestimmt." Je höher der Druck und je größer die Temperatur, umso leichter geht die Information über den Anfangszustand verloren, etwa über die ungleiche Verteilung der Luft-Moleküle, oder auch über die Struktur schmelzender Eiswürfel.

Unabhängig von Druck und Temperatur

"Der prä-thermalisierte Zustand unserer Atomwolken wird hingegen ganz unabhängig von Druck und Temperatur erreicht", sagt Max Kuhnert. Die jetzt im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlichen Experimente zeigen dass dieser Zwischenzustand durch eine neue Längenskala charakterisiert wird. Diese sogenannten Korrelationslänge gibt an, auf welche Längenskala man die Atom-Wolken betrachten muss, um seine Quanten-Eigenschaften noch erkennen zu können.

"Diese Korrelationslänge ergibt sich emergent aus der Dichte des ursprünglichen Quantengases. Sichtbar wird sie aber erst in der Dynamik des Übergangs vom geordneten Zustand in den prä-thermalisierten Zustand", sagt Schmiedmayer. "Dass die charakteristische Korrelationslänge nicht von der Anfangstemperatur abhängt, ist ein starkes, neues Indiz dafür, dass es sich bei dem prä-thermalisierten Zustand um ein wesentliche Eigenschaft der Quantenphysik mit weitreichender Bedeutung handelt", glaubt Max Kuhnert.

Licht auf Vorgänge im frühen Universum

Ein tieferes Verständnis dieses Zustandes soll nicht nur ultrakalte Bose-Einstein-Kondensate erklären, sondern auch neues Licht auf die Vorgänge im frühen Universum werfen oder dabei helfen, die noch immer nicht völlig verstandenen Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas in großen Teilchenbeschleunigern zu verstehen. (red, derStandard.at, 01.03.2013)

  • Die Grafik zeigt das Wellenmuster, das durch Interferenz der Atomwellen entsteht.
    foto: tu wien

    Die Grafik zeigt das Wellenmuster, das durch Interferenz der Atomwellen entsteht.

  • Die ultrakalten Atomwolken werden auf einem goldenen Atomchip (oben), mittels mikroskopischer Leiterbahnen, erzeugt. Mikrowellenstrahlung kann mittels einer planaren Struktur unterhalb des Atomchips (hell-orange) eingestrahlt werden. Makroskopische Kupferstrukturen (orange) werden zum Fangen und Vorkühlen von laser-gekühlten Atomen verwendet. Ohmsche Hitze wird von einer keramischen Halterung (grau) aufgenommen und abgeleitet. Im Hintergrund sind die gemessenen Verteilungen zu sehen, die Aufschluss geben in welchem Zustand sich das Nicht-Gleichgewichtssystem befindet.
    illustration: tu wien

    Die ultrakalten Atomwolken werden auf einem goldenen Atomchip (oben), mittels mikroskopischer Leiterbahnen, erzeugt. Mikrowellenstrahlung kann mittels einer planaren Struktur unterhalb des Atomchips (hell-orange) eingestrahlt werden. Makroskopische Kupferstrukturen (orange) werden zum Fangen und Vorkühlen von laser-gekühlten Atomen verwendet. Ohmsche Hitze wird von einer keramischen Halterung (grau) aufgenommen und abgeleitet. Im Hintergrund sind die gemessenen Verteilungen zu sehen, die Aufschluss geben in welchem Zustand sich das Nicht-Gleichgewichtssystem befindet.

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