Experiment mit Temperatur von Quantenteilchen

Temperatur ist eine sehr nützliche Größe. Sie ermöglicht eine einfache statistische Aussage über die Energie eines hochkomplizierten Teilchengewirrs. Die Details des Systems muss man dabei gar nicht genau kennen. An der TU Wien wurde nun in Zusammenarbeit mit der Universität Heidelberg untersucht, auf welche Weise Quantenteilchen einen solchen statistisch beschreibbaren Zustand erreichen. Das überraschende Ergebnis: Eine Wolke aus Atomen kann mehrere Temperaturen gleichzeitig annehmen. Laut der TU Wien sei damit „ein wichtiger Baustein zum Verständnis großer Quantensysteme“ gelungen. Das gemeinsame Verhalten aller Moleküle lässt sich statistisch beschreiben. So lässt sich sagen, dass sich an einem heißen Sommertag die Luftmoleküle mit ca. 430 Meter pro Sekunde im Mittel etwas schneller umher als an einem kalten Wintertag bewegen. Diese statistische Betrachtungsweise ist außerordentlich erfolgreich und beschreibt viele physikalische Vorgänge, vom kochenden Wassertopf bis zu Phasenübergängen in Flüssigkristallen, die wir für Flachbildschirme verwenden. Trotz intensiver Anstrengungen gibt sie aber immer noch Rätsel auf, vor allem, wenn es um Quantensysteme geht. Wie aus vielen quantenmechanischen Einzelteilen die bekannten Gesetze der statistischen Physik hervorgehen, ist eine der großen offenen Fragen der Physik.

Experimente

Am Atominstitut in Wien wurden Vorgänge in einem Quanten-Vielteilchensystem in Experimenten präzise beobachtet, um die Ausbildung statistischer Eigenschaften besser zu verstehen. Dazu fing das Team um Prof. Jörg Schmiedmayer Wolken aus wenigen tausend Atomen auf einem speziellen Mikrochip ein und kühlte sie auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt von -273°C, bei denen ihre Quanteneigenschaften hervortreten. Nach einer plötzlichen Änderung der äußeren Bedingungen am Mikrochip strebt das Quantengas hin zu einem Gleichgewichtszustand, der durch ein statistisches Modell mit mehreren Temperaturen beschrieben wird. Das Gas kann also heiß und kalt zugleich sein. Die Anzahl der Temperaturen hängt davon ab, wie die Forscher die Gase manipulierten. "Mit unseren Mikrochips können wir diese komplexen Quantensysteme sehr gut kontrollieren und ihr Verhalten untersuchen", sagt Tim Langen, der Leiter der Studie. Durch die neuen Beobachtungen lassen sich die Gesetze der Quantenwelt besser mit der statistischen Beschreibung vereinen. Die Resultate wurden im Magazin Science veröffentlicht.