Die „Aggregatzustände“ in der Quantenmechanik

Theoretische Physiker der Freien Universität Berlin an erstmaliger Ausmessung von Quantenphasenübergängen beteiligt

Nr. 059/2015 vom 09.03.2015

Wissenschaftler der Freien Universität Berlin haben an einer Simulation teilgenommen, bei der sogenannte Quantenphasenübergänge ausgemessen wurden. Phasen nennt man in der Physik und der Chemie räumliche Bereiche, in der die die Beschaffenheit bestimmtenden Parameter, die Ordungsparameter, homogen sind. Für Wasser sind dies die verschiedenen Aggregatzustände, wenn etwa Eis durch Schmelzen zu Wasser wird und somit von einer festen in eine flüssige Phase übergeht. In der Quantenmechanik, der grundlegenden physikalischen Theorie, sind Phasen bereits gut erforscht – der Übergang eines Systems von einer Phase in die andere war es bisher jedoch noch nicht in gleichem Maße. Forschern der Freien Universität Berlin, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie des Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Madrid ist es nun gelungen, dieses Problem im Labor nachzustellen und unter präzisen Bedingungen auszumessen.

Ihre Erkenntnisse ermöglichen es, quantitative Vorhersagen zu Vorgängen in physikalischen Systemen zu treffen: Die Ergebnisse über Quantensysteme erinnern daran, dass es von der Geschwindigkeit abhängt, mit der man etwa von flüssigem Wasser in die Eisphase übergeht, wie das Eis hinterher beschaffen sein wird. Der Fachaufsatz wird im renommierten US-amerikanischen Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ publiziert.

Das grundlegende Problem bei der Erforschung der Quantenphasenübergänge liegt darin, dass ein System in der Nähe eines Phasenübergangs immer „zäher“ wird, weil seine Reaktionszeit sich verlängert. Somit stellte sich den Wissenschaftlern die Frage: Wie kann ein System, das mit steigender Nähe zum Phasenübergang immer langsamer wird, überhaupt in einer anderen Phase ankommen?

Die theoretischen Physiker stellten den Vorgang unter extrem genau kontrollierten Bedingungen im Labor nach und vermaßen ihn. Dabei wurden sogenannte künstliche Vielteilchensysteme beobachtet, in denen Tausende von Atomen in einem Lichtgitter an ihrem Platz „festgehalten“ wurden. Dieses System ist wie ein Festkörpersystem eines natürlichen Materials, nur dass man mit einzelnen Atomen experimentieren kann.

Die Forschungsarbeit ermöglicht es, ein physikalisches Problem zu beleuchten, das bisher selbst mit Supercomputern nicht zu berechnen ist. Zudem wurde gezeigt, dass komplexe Quantensysteme im Labor unter sehr präzisen Bedingungen nachgestellt werden können.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Jens Eisert, Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin, Telefon: 030 / 838-54781, E-Mail: jenseisert@gmail.com

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