Quantenteilchen-Wolke kann gleichzeitig mehrere Temperaturen haben

12. April 2015, 17:09
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Wiener Physiker wiesen fundamentale Eigenschaft auf dem Weg zwischen Quanten- und klassischer Physik nach

Wien - Dank des österreichischen Physikers Ludwig Boltzmann (1844-1906) kann man mithilfe der Statistik von Atomen Eigenschaften von Gasen vorhersagen - etwa ihre Temperatur. Ob auch Quantenteilchen einen so statistisch beschreibbaren Zustand erreichen, haben nun Wiener Physiker untersucht. Im Fachjournal "Science" berichten sie, dass ultrakalte Atomwolken mehrere Temperaturen gleichzeitig haben können.

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) nehmen sogenannte Bosonen - das sind Atome, die sich aus einer geraden Zahl von Protonen, Neutronen und Elektronen zusammensetzen und deshalb "ganzzahligen Spin" haben - den Zustand geringstmöglicher Energie ein, sie bilden ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Dabei handelt es sich um einen eigenen Materiezustand, in dem die Teilchen völlig ihre Individualität verlieren. Die Atome verhalten sich als gemeinsames Quanten-Objekt und können auf vielfältige Weise manipuliert und untersucht werden.

Zwingt man das BEC beispielsweise in einen Zustand mit großer Ordnung, so nimmt diese Ordnung mit der Zeit wieder ab, die Atomwolke strebt einem thermischen Gleichgewicht mit großer Unordnung zu. Ähnliches passiert, wenn Eis schmilzt. Beim Bose-Einstein-Kondensat wechselt die Atomwolke von einem nur quantenphysikalisch beschreibbaren Zustand zunehmend in ein mit den Gesetzen der klassischen Physik beschreibbares Stadium, in dem die Quanten-Eigenschaften der Teilchen keine große Rolle mehr spielen.

Quanten im stabilen Zwischenstadium

Jörg Schmiedmayer und sein Team am Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien konnten in den vergangenen Jahren nachweisen, dass es zwischen diesen beiden Zuständen ein überraschend stabiles Zwischenstadium gibt, der sogenannte "prä-thermalisierte Zustand". Schmiedmayer hat 2013 einen hochdotierten "Advanced Grant" des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten, um diesen Zwischenzustand genauer zu untersuchen.

In der aktuellen Arbeit hat Tim Langen aus Schmiedmayers Team gemeinsam mit Kollegen aus Heidelberg (Deutschland) ein aus Rubidium-Atomen bestehendes BEC untersucht. Sie arbeiten dabei mit Mikrochips, die magnetische und elektrische Felder erzeugen, wodurch die Atomwolken in winzigen Strukturen gefangen gehalten und manipuliert werden können.

Wenn die Physiker die äußeren Bedingungen plötzlich änderten, konnten sie in der Atomwolke gleichzeitig mehrere Temperaturen feststellen - und zwar nicht einfach in räumlich unterschiedlichen Bereichen der Atomwolke, wie Schmiedmayer erklärte.

Die äußeren Bedingungen für das BEC änderten die Wissenschafter durch die Aufspaltung der Atomwolke in zwei Kondensate. "Das Auseinanderreißen des Kondensats erzeugt Quantenrauschen. Daraus entstehen Schwingungen, die man sich wie Schallwellen vorstellen kann", so Schmiedmayer. Und diese sich im System ausbreitenden unterschiedlichen Schallwellen haben jeweils eine andere Temperatur.

Theoretische Vorhersage experimentell bestätigt

Die Unterschiede dabei sind beachtlich. Ursprünglich ist die Atomwolke etwa 10 Nanokelvin kalt, "wir haben aber Schallwellen mit 5 und andere mit 25 Nanokelvin gemessen", sagte Schmiedmayer. Zur Beschreibung konnten die Physiker dabei auf eine moderne Verallgemeinerung von Boltzmanns statistischer Beschreibung zurückgreifen. Die entsprechende theoretische Vorhersage eines solchen Phänomens habe es bereits gegeben, die Physiker konnten dies nun erstmals experimentell realisieren.

Laut Schmiedmayer handelt es sich bei diesem Phänomen um eine "ganz fundamentale Eigenschaft auf dem Weg zwischen Quanten- und klassischer Physik". Es sei damit entscheidend bei der noch nicht geklärten Frage, wie ein Quantensystem in ein System der Alltagswelt mit klassischen Eigenschaften wie Temperatur übergeht. (APA, 12.4.2015)

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