Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gefangen in Ruhelosigkeit

31.07.2015

Mit ultrakalten Atomen lässt sich ein neuer Materiezustand beobachten, in dem das System nicht ins thermische Gleichgewicht kommt.

Was passiert, wenn man kaltes und heißes Wasser mischt? Nach einer Weile ist das Wasser lauwarm – das System hat ein neues thermisches Gleichgewicht erreicht. Das geschieht nicht nur, wenn man kalte und heiße Flüssigkeiten mischt, also etwa kalte Milch in frisch gebrühten Kaffee kippt, es gilt für praktisch alle wechselwirkenden Systeme, die wir aus der Natur kennen: Auf lange Sicht nähern sie sich einem bestimmten thermisch ausgeglichenen Zustand mit einer dazugehörigen Temperatur an. In diesem Zustand verhält sich ein System in der Regel sehr klassisch, man kann es trotz Abermilliarden von Teilchen mit einfachen physikalischen Größen wie Temperatur, Dichte oder Druck beschreiben. Jeder ursprüngliche Quanteneffekt verflüchtigt sich im gesamten System und lässt sich normalerweise nicht mehr detektieren.


Schematische Darstellung des Experiments. Den im künstlichen Kristallgitter aus Licht angeordneten Atomen wird eine Dichtmodulation aufgeprägt. Es befinden sich so abwechselnd viele und wenige Atome auf benachbarten Gitterplätzen (1). Für einen Zustand ohne Unordnung wird die Dichtmodulation schon nach kurzer Zeit komplett ausgewaschen und verschwindet. Der Zustand bewegt sich ins thermische Gleichgewicht, bei dem jede Information über den Anfangszustand ausgelöscht wurde (2). Ganz anders verhält sich der Vielteilchen-lokalisierte Materiezustand: hier bleiben Reste der anfänglichen Dichtemodulation auch für lange Zeiten bestehen – ein Indiz dafür, dass sich das System nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Grafik: Michael Schreiber, LMU

Forscher der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching unter Leitung von Professor Immanuel Bloch und Dr. Ulrich Schneider haben nun erstmals einen neuen Materiezustand im Experiment erzeugt und analysiert, bei dem es sich anders verhält: eine sogenannte „Viel-Teilchen-Lokalisierung“ (engl.: many-body localization, MBL) von wechselwirkenden Fermionen. Trotz der Wechselwirkungen der Atome kommt das System nicht ins thermische Gleichgewicht. In diesem speziellen Zustand behält das System eine Erinnerung seines ursprünglichen Quantenzustands, und das sogar für sehr lange Zeit. „Unsere Arbeit ist wichtig für die Frage, wie eigentlich Temperatur, eine makroskopisch messbare Größe, in Materie entsteht und welche Umstände dazu führen, dass dies nicht passiert“, sagt Bloch. Nur Systeme im thermischen Gleichgewicht lassen sich auch über die Temperatur beschreiben. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe von Science Express online. Die Münchner Wissenschaftler arbeiteten eng mit der Theorie-Gruppe von Professor Ehud Altman vom Weizmann-Institut in Rehovot zusammen.

In Metallen können sich Teilchen, die Energie und eine elektrische Ladung tragen, frei bewegen und sich über das gesamte Material verteilen. Dies führt schließlich zu einem thermischen Gleichgewicht. Allerdings gibt es auch Mechanismen, die einen solchen Energietransport behindern. Bei einem Bandisolator beispielsweise, in dem die Elektronen im Material nicht frei beweglich sind, sondern fest an ihr jeweiliges Atom gebunden, sind bei jedem Atom des Kristalls sämtliche Energieniveaus und -hüllen komplett besetzt. Aufgrund des sogenannten Pauli-Prinzips, das besagt, dass sich zwei Elektronen nicht am gleichen Ort aufhalten können, wandern die Elektronen nicht in die bereits gefüllte Hülle eines Nachbaratoms. Quanten-Teilchen können ebenfalls örtlich eingeschränkt und festgehalten sein, wenn die perfekte kristalline Anordnung zum Beispiel durch Fehlstellen oder Fremdatome gestört ist. Dahinter steckt ein Mechanismus, der nach dem amerikanischen Nobelpreisträger Philip Warren Anderson benannt ist. In realen Festkörpern jedoch wirkt keiner dieser Mechanismen uneingeschränkt. In einem Bandisolator etwa wird immer ein Teil der Ladungsträger thermisch angeregt und ermöglicht so freie Bewegung. In einem ungeordneten Anderson-Isolator, in dem die Elektronen idealerweise ortsgebunden sind, werden diese aufgrund thermischer Schwingungen des Kristallgitters herumgestoßen, so dass sie sich schließlich über das ganze System verteilen können.

Eine ungelöste fundamentale Frage

Was aber passiert, wenn die Teilchen in einem festen Gitter gefangen sind, das nicht schwingt? Bleibt das gesamte System dann sogar bei höheren Temperaturen lokalisiert und kann daher kein thermisches Gleichgewicht erreichen? Das ist noch immer eine ungelöste fundamentale Frage der Festkörperphysik. Anderson formulierte seine Theorie der Lokalisierung ursprünglich für nicht-wechselwirkende Teilchen. Wenn aber Teilchen wechselwirken – was sie üblicherweise auch tun –, erhält ein Teilchen einen Stoß durch ein anderes Teilchen und sollte aufgrund der thermischen Bewegung seiner Nachbarteilchen nicht mehr ortsgebunden bleiben. Bemerkenswerterweise sagte ein amerikanisches Physikerteam 2005 auf theoretischer Basis genau das Gegenteil voraus: Unter speziellen Umständen könnte ein MBL-Materiezustand bis zu einer kritischen Temperatur stabil bleiben. Oberhalb dieser kritischen Temperatur oder bei zu geringen Fehlordnungen wären die Teilchen nicht mehr ortsgebunden und das System würde ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Heute weiß man, dass dieser exotische Übergang eine klare Grenze darstellt zwischen einem makroskopischen System mit starkem Quanten-Verhalten und einem System, in dem Quanteneffekte im Spiel der Kräfte eliminiert werden.

Das Phänomen der Viel-Teilchen-Lokalisierung ist von fundamentalem Interesse, da es das einzige bekannte Beispiel in der Natur ist, wo ein Materiezustand aus vielen Teilchen nicht ins thermische Gleichgewicht kommt - und das in einer sehr robusten Art und Weise. Sie kennzeichnet gleichzeitig ein neues System, das sich nicht durch klassische Thermodynamik und statistische Physik beschreiben lässt; dafür bedürfe es neuer theoretischer und experimenteller Ansätze, sagt Immanuel Bloch. Gleichzeitig sind Viel-Teilchen-Lokalisierungen von Interesse für mögliche Anwendungen bei der Entwicklung von Quantencomputern, denn sie sind besonders immun gegen Störungen. Mit ihr lassen sich Quanteninformationen möglicherweise sicher speichern und davor schützen, dass sie ihre Kohärenz verlieren, sie bewahren ihren Sinnzusammenhang. Aber trotz seiner grundlegenden Bedeutung fehlte bis heute eine experimentelle Bestätigung und Beobachtung des Phänomens.

Wie ein Raster aus winzigen Lichtpunkten

Die Forschergruppen aus München und Rehovot konnten nun für ultrakalte Kalium-Atome, die in einem künstlichen Kristallgitter aus Licht eingesperrt waren, solche Viel-Teilchen-Lokaliserungs-Zustände beobachten. Dieses sogenannte optische Gitter erzeugten die Forscher mit mehreren sich überlagernden, interferierenden Laserstrahlen; es funktioniert wie ein Raster aus winzigen Lichtpunkten, in denen die Atome gefangen sind. „Durch unsere Laser können wir das Potenzialgebirge, in dem sich die Atome bewegen, genau kontrollieren“, sagt Quantenphysiker Bloch. „Damit können wir im Experiment sowohl den Grad der Unordnung als auch die Stärke der Wechselwirkung zwischen den Atomen so einstellen, wie wir wollen.“

Das Team testete nun, ob die wechselwirkenden Atome das gesamte System in ein thermisches Gleichgewicht bringen. Dazu verteilten sie die Atome unterschiedlich dicht in ihrem optischen Gitter, mal waren in einem Gitterplatz mehr, mal weniger Kaliumatome. Diese künstlich aufgeprägte Dichtewelle aus Atomen ist ähnlich einer Welle, die auch Höhen und Tiefen hat. Die Forscher beobachten dann, ob sich die Dichtemodulation im Lauf der Zeit verändert und sich die Atome gleichmäßig verteilen. Sollten die Wechselwirkungen dazu führen, dass sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt, müsste die Dichtemodulation schnell verschwinden. Denn ein thermisches Gleichgewicht trägt keine Erinnerung seines Ausgangszustands in sich. Umgekehrt weist eine dauerhafte Dichtemodulation auf eine Viel-Teilchen-Lokalisierung hin. Die Forscher veränderten in den Experimenten systematisch den Grad der Unordnung und die Stärke der Wechselwirkung und legten so nach und nach die Grenzen der Lokalisierungs-Phase fest.

Das Weizmann-Team stützte die experimentellen Daten mit theoretischen Berechnungen und Simulationen, ein komplexes Unterfangen. Sind nämlich Wechselwirkungen zwischen Atomen vorhanden, wird das Problem überaus kompliziert, denn dann müssen auch gemeinsame Quantenbewegungen aller Teilchen berücksichtigt werden. Ein Nicht-Wechselwirkungs-Problem lässt sich auf jedem Heimrechner lösen, aber schon für lediglich 40 Teilchen, die miteinander in Wechselwirkung stehen, mussten die Weizmann-Theoretiker leistungsstarke Supercomputer nutzen, wollten sie deren Verhalten auch nur für kurze Zeitspannen simulieren.

„Wir waren erstaunt, dass wir den neuen Materiezustand tatsächlich beobachten können“, sagt Michael Schreiber, Erstautor der Arbeit. „Obwohl er eine starke Quanten-Charakteristik hat, ist er doch stabiler als jeder andere typische Viel-Teilchen-Zustand, den wir in der Vergangenheit untersucht haben.“

Originalveröffentlichung:
Michael Schreiber, Sean S. Hodgman, Pranjal Bordia, Henrik P. Lüschen, Mark H. Fischer, Ronen Vosk, Ehud Altman, Ulrich Schneider, Immanuel Bloch
Observation of many-body localization of interacting fermions in a quasi-random optical lattice
Science Express, 31 July 2015

Kontakt:

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

Dr. Ulrich Schneider
LMU München
Telefon: +49 (0)89 / 21 80 - 6129
E-Mail: ulrich.schneider@physik.uni-muenchen.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
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 Spintronik: Forscher zeigen, wie sich nichtmagnetische Materialien magnetisch machen lassen
06.08.2020 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Erster radioastronomischer Nachweis eines extrasolaren Planetensystems um einen Hauptreihenstern
05.08.2020 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstage 2020 – digital

06.08.2020 | Veranstaltungen

Innovationen der Luftfracht: 5. Air Cargo Conference real und digital

04.08.2020 | Veranstaltungen

T-Shirts aus Holz, Möbel aus Popcorn – wie nachwachsende Rohstoffe fossile Ressourcen ersetzen können

30.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der Türsteher im Gehirn

06.08.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

06.08.2020 | Energie und Elektrotechnik

Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

06.08.2020 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics