Quantenwelt: Informationsaustausch braucht Zeit

Die Quanteneigenschaften von Teilchen in Festkörpern können nur sehr schwierig untersucht werden. Quantensimulationen an künstlichen Systemen eröffnen völlig neue Möglichkeiten im Labor.

Unter sehr gut kontrollierbaren Bedingungen können hier die Wechselwirkungen der einzelnen Teilchen in einem Vielteilchensystem sehr gut untersucht werden. Gemeinsam mit Experimentalphysikern der Universität Paris-Saclay haben Theoretiker um Andreas Läuchli vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck nun die zeitliche und räumliche Ausbreitung von Quantenkorrelationen in zweidimensionalen Systemen aus Rubidium-Atomen beobachtet und quantitativ bestimmt.

„Noch nie in dieser Schönheit gesehen“

Im Experiment an der Universität Paris-Saclay können Rubidium-Atome mit Hilfe von optischen Pinzetten in fast beliebigen Mustern angeordnet werden. Für die aktuelle Arbeit erzeugten die Physiker eine Kristallstruktur aus 36 Atomen, auf die sie einen weiteren Laserstrahl richteten. Dieser regte die Atome so stark an, dass sie in einen Rydberg-Zustand übergingen, in dem ein äußeres Elektron sehr weit vom Atomkern entfernt ist.

Weil aber benachbarte Atome nicht gleichzeitig in diesem Zustand verharren können, müssen die Teilchen erst bemerken, welchen Zustand die Nachbarteilchen einnehmen wollen. Diesen „Aushandlungsprozess“ haben die Wissenschaftler gemessen und sie konnten so die Ausbreitung der Korrelationen mitverfolgen. „Wir sehen, wie das System nach und nach in einen Zustand findet, bei dem keines der benachbarten Atome gleichzeitig in einem Rydberg-Zustand ist“, erzählt Michael Schuler aus der Arbeitsgruppe von Andreas Läuchli. „Wir haben die Ausbreitung von Korrelationen noch nie in dieser Schönheit gesehen.“

Wie sich Information ausbreitet

„Dieses Ausbreiten von Korrelationen geht nicht beliebig schnell, sondern es braucht Zeit bis die Information über den Zustand der Nachbarn durch das System wandert“, erklärt Andreas Läuchli. „Die Information kann sich also nur mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten. Dies konnten wir hier zum ersten Mal in einem zweidimensionalen Quantensystem beobachten.“

Interessant ist das nicht nur für ein besseres Verständnis von Vielteilchensystemen, es ist auch eine wichtige Information für Quantenexperimente mit vielen Teilchen. „Wir zeigen, wie schnell man Quantenzustände in ausgedehnten Systemen aufbauen kann“, resümiert Andreas Läuchli.

Publikation: Observing the Space- and Time-Dependent Growth of Correlations in Dynamically Tuned Synthetic Ising Models with Antiferromagnetic Interactions. Vincent Lienhard, Sylvain de Léséleuc, Daniel Barredo, Thierry Lahaye, Antoine Browaeys, Michael Schuler, Louis-Paul Henry, and Andreas M. Läuchli. Phys. Rev. X 8, 021070 (2018)
DOI: https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021070

Physics Viewpoint: Watching a Quantum Magnet Grow in Ultracold Atoms
https://physics.aps.org/articles/v11/63

https://www.uibk.ac.at/th-physik/laeuchli-lab/ – Quantum Condensed Matter Theory & Computational Physics (Läuchli Group, Universität Innsbruck)