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). © 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".
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.
- Solarzellen auf Mondglas für eine zukünftige Basis auf dem MondZukünftige Mondsiedlungen werden Energie benötigen, die Photovoltaik liefern könnte. Material in den Weltraum zu bringen, ist jedoch teuer – ein Kilogramm zum Mond zu transportieren, kostet eine Million Euro. Doch auch auf dem Mond gibt es Ressourcen, die sich nutzen lassen. Ein Forschungsteam um Dr. Felix Lang, Universität Potsdam, und Dr. Stefan Linke, Technische Universität Berlin, haben nun das benötigte Glas aus „Mondstaub“ (Regolith) hergestellt und mit Perowskit beschichtet. Damit ließe sich bis zu 99 Prozent des Gewichts einsparen, um auf dem Mond PV-Module zu produzieren. Die Strahlenhärte konnte das Team am Protonenbeschleuniger des HZB getestet.