Wenn sich unterschiedliche Systeme gleich verhalten – Forscher aus Heidelberg und Wien weisen universelle Dynamik in Wolken von Rubidium-Atomen nach

Unterschiedliche physikalische Systeme – in sich abgeschlossen und fern des Gleichgewichts – können sich vergleichbar verhalten. Das ist in der Quantenmechanik dann der Fall, wenn die Dynamik dieser Vielteilchensysteme universell wird. Physikern der Universität Heidelberg und der Technischen Universität Wien (Österreich) ist es jetzt gelungen, in zwei grundverschiedenen Experimenten eine solche Universalität in ultrakalten Wolken von Rubidium-Atomen nachzuweisen. Dies erlaubt es, das bessere Verständnis des untersuchten Systems zu nutzen, um Vorhersagen über ganz andere Systeme zu treffen. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

Die Expansion des Universums unmittelbar nach dem Urknall, die Folgen einer Kollision schwerer Ionen im Teilchenbeschleuniger des Forschungszentrums CERN oder Wolken von Atomen bei extrem niedrigen Temperaturen – viele abgeschlossene physikalische Systeme sind natürlicherweise nicht im Gleichgewicht, jedoch sind die relevanten Größen oft nur schwer messbar. Das ist im Fall ultrakalter Atomgase anders. „Die hohe Kontrolle über unser System erlaubt es uns, gezielt interessante Anfangszustände zu erzeugen und im Laufe der Dynamik die universellen Messgrößen, zum Beispiel den Zustand der Atome, an jedem Ort präzise auszulesen“, erläutert Prof. Dr. Markus Oberthaler, Gründer der Forschungsgruppe Synthetische Quantensysteme am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg.

In ihrem Experiment präparierten die Heidelberger Forscher rund 70.000 ultrakalte Rubidium-Atome. Diese wurden durch das schnelle Ändern eines von außen angelegten Magnetfeldes aus dem Gleichgewicht gebracht. Bei ultrakalten Temperaturen von etwa zehn Nanokelvin und perfekter Isolation von der Umgebung verhalten sich die Atome wie Magnete, die miteinander in Wechselwirkung treten. Dabei lassen sich die Charakteristiken der universellen Dynamik erst nach – für Experimente mit ultrakalten Atomen – langen Wartezeiten beobachten. „Dies erfordert eine hohe Stabilität des experimentellen Aufbaus, erlaubt es uns jedoch, die Dynamik genau zu untersuchen“, so der Erstautor der Studie, Maximilian Prüfer.

Einen weiteren Typ universeller Dynamik hat die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer an der Technischen Universität Wien beobachtet. „Universalität bedeutet, dass man nun eine neue Methode zur Verfügung hat, um wichtige Informationen über normalerweise im Labor unzugängliche Quantensysteme zu erhalten“, so Jörg Schmiedmayer. Beteiligt an den Untersuchungen waren Prof. Dr. Thomas Gasenzer vom Kirchhoff-Institut für Physik und Prof. Dr. Jürgen Berges vom Institut für Theoretische Physik der Ruperto Carola, die auch Co-Autoren der Heidelberger Studie unter der Leitung von Prof. Oberthaler sind.

Die Charakterisierung von quantenmechanischen Vielteilchensystemen fern des Gleichgewichts ist unter anderem für das Verständnis der Strukturbildung in der Natur von besonderer Bedeutung. Markus Oberthaler betont: „Das beeindruckende Ergebnis der beiden Experimente ist, dass wir zwei verschiedene Universalitätsklassen gefunden haben. Das legt nahe, dass wir einer fundamentalen Struktur auf der Spur sind.“ Die Arbeiten in Heidelberg und Wien wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Quantensysteme unter extremen Bedingungen im Fokus von Experiment und Theorie“ der Universität Heidelberg durchgeführt.

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