Mechanik zwischen den Welten

Theoretische Physiker der Freien Universität Berlin entwickeln neues Fenster zur Schnittstelle zwischen klassischer und Quanten-Welt

Nr. 236/2015 vom 28.07.2015

Wissenschaftler der Freien Universität Berlin um den Physikprofessor Jens Eisert haben eine neuartige Methode entwickelt, die bisher nicht mögliche Einblicke in das komplexe Verhalten von mechanischen Systemen auf der Mikro- und Nanoebene erlaubt. Diese Systeme befinden sich an der Schnittstelle der physikalischen Welten, die auf der einen Seite durch die klassische Mechanik beschrieben werden, auf der anderen durch die Quantentheorie – also die Theorie des Verhaltens von Atomen, Molekülen und Lichtteilchen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Wien unter Leitung von Markus Aspelmeyer gelang es, ein neues Fenster zu dieser Schnittstelle zu etablieren. Der subtile Übergang zwischen der klassischen und der quantenmechanischen Welt wurde durch die Beobachtung der Dynamik eines kleinen mechanischen schwingenden Systems besser verständlich gemacht. Der Fachaufsatz mit dem Titel „Observation of non-Markovian micro-mechanical Brownian motion“ („Beobachtung von nicht-markovscher mikromechanischer Brownscher Bewegung“) wurde im renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

In der aus unserer Alltagserfahrung bekannten Welt haben mechanische Systeme bekannte Eigenschaften; zudem befinden sie sich an einem festen Ort zu einem gegebenen Zeitpunkt. In der Welt der Quantenmechanik, also der Welt der einzelnen Atome und Moleküle, müssen Objekte keinesfalls zu einem gegebenen Zeitpunkt an nur einem Ort sein: Sie können sich in Überlagerungszuständen gewissermaßen gleichzeitig an mehreren Orten aufhalten. Seit den 1980er Jahren beschäftigen sich Forscher mit dieser paradox scheinenden Beobachtung: Sie versuchen, den genauen Übergang zwischen der klassischen Welt und der Quantenmechanik nachzuvollziehen, denn auch makroskopische mechanische Systeme bestehen aus Atomen – was bedeutet, dass die physikalischen Gesetze, die im Kleinen gelten, auch im Großen anwendbar sein müssen. Dass die beiden physikalischen Theorien die Natur auf so radikal verschiedene Art beschreiben, ist daher sehr erstaunlich.

Bekannt ist mittlerweile, dass gerade Quanteneigenschaften für das anscheinend klassische Verhalten von Objekten in der physikalischen Welt verantwortlich sind. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen makroskopischen Systemen und ihrer Umgebung so stark, dass die subtilen Quanteneigenschaften in ihnen kaum auffallen. Deswegen sind die genauen Wirkungsweisen realistischer mechanischer Systeme bisher nicht hinreichend erforscht und veranschaulicht.

Die Wissenschaftler der Freien Universität Berlin und der Universität Wien entwickelten in ihrem Forschungsprojekt einen neuen Einblick die Schnittstelle beider Welten, die die Natur auf sehr unterschiedliche Art beschreiben. Dies war möglich, indem das emittierte Licht aus einer Kavität beobachtet wurde, dessen eine Beschränkung durch ein kleines schwingendes mechanisches System besteht. Dadurch konnten sie präzise die Wechselwirkungen ausloten, die für die klassischen Eigenschaften verantwortlich sind. Die ersten Forschungsergebnisse sind überraschend: Die Physiker stießen auf erstaunliche Gedächtniseffekte über Aspekte der Dynamik zu vergangenen Zeiten und entdeckten, dass die klassischen Systeme nicht nur gedämpfte mechanische Systeme sind. In diesen geht in einer Wechselbeziehung zweier Energieformen – etwa kinetischer und potenzieller – bei jedem Austausch Energie in einer dritten Form ab – etwa in Form von Wärme.

Die von den Forschern beschriebenen Erkenntnisse der Dynamik von mechanischen Systemen können technologisch genutzt werden, zum Beispiel in der Metrologie, also der Lehre von genauen Messungen. Dies funktioniert aber nur, wenn die Dynamik genau bekannt ist. Die in dem renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlichte Arbeit liefert dazu einen signifikanten Beitrag.

Gefördert wurde das Forschungsprojekt im Rahmen von Programmen der EU (RAQUEL, SIQS, AQuS, MNOS, ITNcQOM, IQOEMS, Marie-Curie), des Europäischen Forschungsrats (TAQ), außerdem von dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, dem österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung sowie der Alexander-von-Humboldt-Stiftung.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Jens Eisert, Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin, Telefon: 030 / 838-54781, E-Mail: jense@physik.fu-berlin.de

Literaturangabe

http://arxiv.org/abs/1305.6942