Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu steuern, wodurch sie einen so genannten Quantensimulator realisierten. Ihre Experimente mit diesem System, die im Juli 2017 auf einer Konferenz in Triest vorgestellt wurden, zeigten periodische Oszillationen in der Dynamik der wechselwirkenden Atome, die völlig unerwartet waren. Nun hat ein internationales Forscherteam das Geheimnis dieser bisher unerklärlichen Oszillationen gelöst. Die Forscher, darunter Alexios Michailidis und Maksym Serbyn vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) sowie ihre Kollegen von der Universität Leeds und der Universität Genf, schlugen eine theoretische Erklärung vor, die das Konzept von Quanten-Vielteilchen -„Scars“ einführt. Sie verändern damit unsere Auffassung der Dynamik, die in Quanten-Vielteilchensystemen möglich ist.

Stellen Sie sich einen Ball vor, der in einem ovalen Stadion herumspringt. Er wird chaotisch durch den verfügbaren Raum springen, und da seine Bewegung zufällig ist, wird er früher oder später jeden Ort im Stadion besucht haben. In all dem Chaos kann jedoch Ordnung herrschen: Trifft der Ball zufällig an der richtigen Stelle und im richtigen Einfallswinkel auf die Wand, kann er in einer periodischen Umlaufbahn landen. Auf ihr besucht er immer wieder dieselben Stellen und lässt die anderen aus. Solch eine periodische Bahn ist extrem instabil, da bereits die geringste Störung ausreichen kann, um den Ball von seiner Bahn abzulenken und ins Chaos zurückzuschicken.

Dasselbe Prinzip ist auch auf Quantensysteme anwendbar, nur dass anstelle des Balls eine Welle vorliegt, und statt der Bahn eine Wahrscheinlichkeitsfunktion. Klassische periodische Umlaufbahnen können nun bewirken, dass eine Quantenwelle in der Nähe des Orbits konzentriert wird, und das führt in der ansonsten gleichförmigen Wahrscheinlichkeit zu einer charakteristischen Struktur. Solche Prägungen klassischer Bahnen auf die Wahrscheinlichkeitsfunktion werden “quantum scars”, also „Quantennarben“ genannt. Bisher ging man davon aus, dass das Phänomen nur bei einzelnen Quantenteilchen auftritt, da die Komplexität des Systems mit jedem zusätzlichen Teilchen dramatisch ansteigt und periodische Umlaufbahnen dabei immer unwahrscheinlicher werden.

„Im Allgemeinen nahm man an, dass es für Vielteilchensysteme unmöglich sei, Quantennarben zu haben, und als man die Schwingungen zum ersten Mal sah, konnte niemand sie erklären“, sagt Maksym Serbyn, Professor am IST Austria und Co-Autor der Studie. „Indem wir das Konzept der Quantennarben auf Quanten-Vielteilchensysteme erweitert haben, konnten wir erklären, warum diese Oszillationen da sind“, fügt er hinzu.

In der Studie, die heute in Nature Physics veröffentlicht wurde, erklären die Forscher die experimentelle Beobachtung mit dem Auftreten von Quanten-Vielteilchen-Scars. Sie identifizieren auch den instabilen periodischen Vielteilchen-Orbit, der hinter dem Verhalten steckt: es ist die kohärente Oszillation von Atomen zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand. Man kann sich die Quanten-Vielteilchen-Scars als einen Teil des Raums vorstellen, der gewissermaßen vom Chaos „abgeschirmt“ ist, was zu einer viel langsameren Relaxation, also einer langsameren Rückkehr zum Chaos führt. Mit anderen Worten: Das System braucht länger, um zum Chaos zurückzukehren.

„Wir wissen immer noch nicht, wie häufig Quanten-Vielteilchen-Scars sind, aber wir haben ein Beispiel gefunden, und das ist ein Paradigmenwechsel“, sagt Serbyn. Aber es gibt noch viel zu klären. „Wir verstehen noch nicht alle Eigenschaften von Vielkörper-Quanten-Narben, aber es ist uns gelungen, die Daten zu erklären. Wir hoffen, dass eine bessere Kenntnis der Quantennarben eine Möglichkeit bietet, Quantensysteme vor der Relaxation zu schützen.“