Unerwarteter Dreh im Quantensystem

?Kein Wissenschaftler denkt in Formeln?, soll Albert Einstein einmal zu seinem Kollegen Leopold Infeld gesagt haben. Tats?chlich ist es gerade f¨¹r Physiker, die sich mit so abstrakten Dingen wie der Quantenphysik besch?ftigen, h?ufig ungemein n¨¹tzlich, mit anschaulichen Bildern statt mathematischen Symbolen zu arbeiten. So ging es auch Forschern um Tilman Esslinger, Professor am Institut f¨¹r Quantenelektronik der ETH Z¨¹rich, als sie k¨¹rzlich 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 n?herkommen: dem einer Achse, die sich in einem Wellenlager dreht. Ihre Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Science ver?ffentlicht.

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 Quantenzust?nde der Teilchen mit der Zeit nicht nur koh?rent ver?ndern ¨C also so, dass ihre ?berlagerungszust?nde erhalten bleiben. Stattdessen f¨¹hrt eine kontrollierte Verbindung zur Aussenwelt dazu, dass die ?berlagerungszust?nde nach und nach verschwinden. Ist die Dissipation sehr stark, verschwinden sie sehr schnell, und die Teilchen verhalten sich dann ?hnlich wie in der klassischen Physik, die wir aus der t?glichen Anschauung kennen. Ohne jegliche Dissipation wiederum wird die zeitliche Entwicklung des Teilchensystems ausschliesslich von der Quantenmechanik bestimmt ¨C eine Idealform, die Physiker zum Beispiel f¨¹r den Bau von Quantencomputern ausnutzen.

Atomare Muster

?Diese beiden Extreme kann man ganz gut berechnen und verstehen?, erkl?rt Tobias Donner, der als Senior Scientist in Esslingers Labor arbeitet. ?Viel schwieriger wird es allerdings bei Systemen in der Mitte, wo koh?rente Entwicklung und Dissipation gleich wichtig sind.? Um ein solches Quantensystem im Labor zu konstruieren, k¨¹hlten die Physiker Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von etwa -273 Grad Celsius ab und setzten sie einem geb¨¹ndelten Laserstrahl aus, der die Atome in einer Art Lichtgitter einf?ngt und antreibt. Jedes der Atome hat dabei einen ?Spin?, der nach oben oder unten zeigen kann (wie eine Kompassnadel, die nach Norden oder S¨¹den 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 f¨¹hrt 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 (siehe Abbildung). In der anderen Variante gibt es ebenfalls zwei Sorten von Feldern, rote und gr¨¹ne, wobei sich aber auf den roten Feldern nur Atome befinden, deren Spin nach oben zeigt, und auf den gr¨¹nen nur solche mit nach unten zeigendem Spin.

?berraschende Drehung

Welche dieser beiden Varianten die Atome bevorzugen, h?ngt von der Schwingungsrichtung des eingestrahlten Laserlichts ab, strikt nach den Regeln der Quantenmechanik ¨C zumindest dann, wenn die Atome keiner Dissipation ausgesetzt sind. Als die Physiker das Experiment in einem Regime durchf¨¹hrten, in dem der Einfluss der Dissipation (durch den Verlust von Lichtteilchen aus dem Hohlraum) gross genug war, geschah pl?tzlich Ungew?hnliches. ?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 ¨C aber wir hatten ¨¹berhaupt keine Ahnung, warum das passierte.?

Eine ungew?hnliche Kraft

Indem sie die quantenmechanischen Gleichungen f¨¹r ihr Experiment vereinfachten, konnten die Physiker schliesslich eine Parallele zu einem mechanischen System entdecken. Tats?chlich hatten die Formeln eine verbl¨¹ffende ?hnlichkeit mit denen, die eine rotierende Achse in einem Wellenlager beschreiben. Zwischen Achse und Wellenlager befindet sich eine viskose Schmierfl¨¹ssigkeit, die f¨¹r eine gleichm?ssige Drehung sorgen soll. Entfernt sich die Achse allerdings ein wenig vom Zentrum des Wellenlagers, so entsteht eine eher ungew?hnliche Reibungskraft, die von der Position der Achse abh?ngt. Die Kraft r¨¹hrt daher, dass sich entlang einer Richtung der Abstand zwischen der sich drehenden Achse und dem ruhenden Wellenlager verringert und so verschiedene Reibungskr?fte auf Achse und Lager wirken. Die resultierende ortsabh?ngige Kraft zeigt senkrecht zu der Richtung, in die sich die Achse verschoben hat. Als Reaktion darauf beginnt das Achsenzentrum sich spiralf?rmig um den Mittelpunkt des Wellenlagers zu bewegen.

Nun, da die Physiker den unerwarteten Quanteneffekt mit einem anschaulichen Bild beschreiben k?nnen, denken sie bereits an den n?chsten Schritt: ihn auszunutzen, um Quantensysteme gezielt zu steuern und zu kontrollieren. ?Normalerweise f¨¹hrt Dissipation dazu, dass sich bestehende Quanteneffekte ?ndern oder abschw?chen ¨C aber hier haben wir einen Effekt, der durch Dissipation erst zustande kommt?, sagt Esslinger. Ob ?hnliche Effekte vielleicht h?ufiger in Quantensystemen auftreten und wie sich diese in der aktuell entstehenden Quantentechnologie nutzen lassen, sind daher Fragen, die die Forscher jetzt umtreiben.