Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenmaterie ohne Gedächtnisverlust

06.07.2016

MPQ Wissenschaftler beobachten Anzeichen für Vielteilchen-Lokalisation in einem geschlossenen Quantensystem.

Wenn gewöhnliche Vielteilchensysteme ins Gleichgewicht kommen, verlieren sie sämtliche Informationen über ihren ursprünglichen Zustand. Diese Erfahrung machen wir zum Beispiel jeden Morgen, wenn wir uns Milch in den Kaffee gießen. Milch und Kaffee mischen sich so perfekt, dass es sich nicht mehr sagen lässt, wie genau diese beiden Flüssigkeiten zusammen gekommen sind. Das gleiche Verhalten legen auch fast alle Quantensysteme an den Tag.


Das Titelbild der Zeitschrift Science zeigt eine künstlerische Darstellung des Experimentes. Sie illustriert das Fortbestehen der Dichtestufe einer atomaren Dichteverteilung in einem optischen Gitter

Science Cover Vol 352, Issue 6293, 24. Juni 2016

Allerdings wurde vor kurzem ein neues Phänomen vorher gesagt, die sogenannte „Vielteilchen-Lokalisation“. Sie erlaubt es gut isolierten Quantensystemen, ihren anfänglichen Zustand auf ewig im Gedächtnis zu behalten.

Nun hat ein Wissenschaftlerteam um Dr. Christian Groß und Prof. Immanuel Bloch (Direktor am MPQ und Lehrstuhl für Quantenoptik an der LMU München) in Zusammenarbeit mit David Huse (Princeton University) starke Hinweise für das Auftreten dieses Phänomens in einem zweidimensionalen Quantensystem aus kalten Rubidiumatomen erhalten (Science, 24. Juni 2016).

Die Wissenschaftler beobachteten, dass sich oberhalb eines bestimmten Grads an Unordnung, die dem System zu Anfang aufgeprägt wurde, ein Gleichgewichtszustand einstellte, der noch detaillierte mikroskopisch Informationen über seine Vergangenheit enthielt.

„Wir waren in der Lage, den Übergang von einem thermischen Gleichgewichtszustand in eine Vielteilchen-lokalisierte Phase zu verfolgen“, betont Dr. Christian Groß. „Das ist die erste derartige Beobachtung in einem Bereich, der mit modernen Simulationstechniken auf klassischen Computern nicht zugänglich ist.“ Das Experiment ist nicht nur von grundsätzlichem Interesse, sondern könnte auch zu neuen Wegen führen, Quanteninformation zu speichern.

Motiviert durch die fundamentale Fragestellung, wie sich Teilchen, die miteinander in Wechselwirkung stehen, in einem ungeordneten System verhalten, entdeckte der amerikanische Physiker Philip Warren Anderson in den 50er Jahren ein Phänomen, dass heute „Anderson Lokalisation“ genannt wird. Diese besagt, dass die Unordnung jegliche Bewegung und damit auch jeglichen Transport verhindert, wenn keine Wechselwirkung zwischen den Teilchen stattfindet.

Doch was geschieht, wenn Unordnung und Wechselwirkung zusammentreffen? Wird es aufgrund der Wechselwirkung doch zu einem Transport von Teilchen kommen, oder wird die Lokalisation auch bei hohen Energien fortbestehen? Bislang gibt es kein theoretisches Modell, das verlässlich vorhersagen könnte, wie sich ein geschlossenes Quantensystem unter diesen Bedingungen entwickelt, wenngleich die Möglichkeit der Lokalisierung theoretisch erwogen wurde.

Um diese Fragen experimentell untersuchen zu können, müssen strenge Anforderungen an die Kontrollierbarkeit und Abschirmung des Systems erfüllt sein. In dem hier beschriebenen Experiment werden extrem kalte Rubidiumatome in ein optisches Gitter geladen, eine Aneinanderreihung mikroskopisch kleiner Lichtfallen, die durch Interferenz mehrerer Laserstrahlen entsteht. Auf das atomare Ensemble wird ein zufällig mit einem Computer erzeugtes Lichtmuster projiziert.

Dies bewirkt, dass die Tiefe der kleinen Lichtfallen nun von Gitterplatz zu Gitterplatz variiert, was einer gewissen Unordnung des Systems entspricht. Die Gruppe von Prof. Bloch hat ihre technischen Methoden mittlerweile so weit entwickelt, dass sie die Position der Atome und die Wechselwirkung zwischen ihnen fast nach Belieben steuern kann. Mit einem hochauflösenden Mikroskop kann der Ort jedes Atoms über das von ihm ausgesandte Fluoreszenzlicht mit höchster Genauigkeit bestimmt werden. Außerdem kann die anfängliche Dichteverteilung genau eingestellt und ihre weitere Entwicklung für verschiedene Zeitintervalle gemessen werden.

Mit diesen Werkzeugen kann das nicht-thermische Verhalten des atomaren Systems mit einer konzeptionell recht einfachen Methode getestet werden. Jeder thermische Gleichgewichtszustand in einem geschlossenen System spiegelt die Symmetrie seines Behälters wider. So bedeckt Wasser, das in eine runde Schüssel geschüttet wird, unmittelbar den ganzen Boden des Gefäßes. Ganz analog erzeugen die Wissenschaftler in dem atomaren Ensemble zu Beginn eine „Dichtestufe“, indem sie die Atome in der einen Hälfte des optischen Gitters mit Laserstrahlung „wegpusten“.

Dann beobachten sie, wie sich die übrig gebliebenen Teilchen in der leeren Hälfte ausbreiten. Solange die durch das Lichtmuster aufgeprägte Unordnung relativ klein ist, vergeht die Dichtestufe schnell, und die anfänglich leere bzw. gefüllte Hälfte gleichen sich immer mehr an. Anders, wenn die aufgeprägte Unordnung größer ist: Dann bleiben Spuren der anfänglichen Unregelmäßigkeiten bestehen, d.h., das System geht auch nach langen Zeitspannen in keinen thermischen Zustand über.

„Wir beobachten, dass dieses nicht-thermische Verhalten oberhalb eines kritischen Wertes für die Unordnung sprunghaft einsetzt“, sagt Christian Groß. „Dieses Fehlen von Thermalisierung ist vor allem deswegen bemerkenswert, weil es in einem System aus interagierenden Teilchen auftritt und sogar bei den hohen Energien, die wir in unserem Experiment testen, bestehen bleibt.“

Die Wissenschaftler deuten diese Beobachtung als den Übergang in eine neue Phase des Systems, die Vielteilchen-Lokalisation. Sie ist auf der einen Seite von grundlegendem Interesse, weil sie nicht durch klassische statistische Mechanik beschrieben werden kann. Auf der anderen Seite könnte das Fortbestehen der Information über den Anfangszustand als Quelle für Quanteninformationstechnologien genutzt werden. „Wir sollten dabei hervorheben, dass wir diese Ergebnisse für eine Systemgröße erzielen, die weit über numerisch zugängliche Skalen hinaus geht“, sagt Jae-yoon Choi, Postdoc am Experiment. Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:

Jae-yoon Choi, Sebastian Hild, Johannes Zeiher, Peter Schauß, Antonio Rubio-Abadal, Tarik Yefsah, Vedika Khemani, David A. Huse, Immanuel Bloch, and Christian Groß
Exploring the many-body localization transition in two dimensions
Science, 24 June 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8834 (http://science.sciencemag.org/content/352/6293/1547)

Kontakt:

Dr. Christian Groß
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 32 905 - 713
E-Mail: christian.gross@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU München
Schellingstr. 4, 80799 München
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -138
E-Mail: immanuel.bloch@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise