Science
11.05.2018

Wiener Quantenexperiment sprengt vorhandene Theorien

Wolke aus Rubidium-Atomen in einer optomagnetischen Falle © Bild: Wikimedia, gemeinfrei

Ergebnisse von Experimenten mit ultra-kalten Atomwolken lassen sich mit bestehenden Theorien nicht erklären.

Die Quantentheorie gilt als eine der am besten bestätigten Theorien der Physik. Dennoch ist sie immer für Überraschungen gut, wie Physiker der Technischen Universität (TU) Wien nun wieder einmal zeigen. Im Fachjournal "Physical Review Letters" berichten sie über die Ergebnisse von Experimenten mit ultra-kalten Atomwolken, die sich mit bestehenden Theorien nicht erklären lassen.

Wolken aus ultra-kalten Atomen dienen als Modellsystem, um fundamentale Fragen der Vielteilchen-Quantenphysik zu untersuchen. Am Atominstitut der TU Wien beschäftigt man sich bereits seit Jahren intensiv mit derartigen Zusammenhängen, doch die Resultate, auf die die Gruppe für Atomphysik und Quantenoptik um Professor Jörg Schmiedmayer nun gestoßen ist, stellen die Forscher vor ein Rätsel. In ihren Experimenten konnten sie beobachten, wie sich die Schwingungen zweier benachbarter Gaswolken spontan synchronisierten.

Mysteriöse Dämpfung

"Für eine solche Synchronisation braucht es eigentlich eine Kopplung zwischen den beiden Wolken, die das gesamte System dämpft und ihm dabei Energie entzieht", erklärt Schmiedmayer gegenüber der APA. "In den gängigen Theorien gibt es auf einen derartigen Prozess aber keinen Hinweis." Ein solches Quantensystem ist eigentlich völlig von seiner Umgebung abgeschirmt, weshalb auch keine Energie verloren gehen kann.

Für ihre Experimente benutzten die Forscher Wolken aus Rubidiumatomen, die sie auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) abkühlten. Zum Kühlen, aber auch zum Einfangen und Manipulieren der Atomwolken kam dabei ein spezieller Atom-Chip zum Einsatz, über dessen Oberfläche die Atome im luftleeren Raum schwebten. "Der Chip ermöglicht es uns, mithilfe magnetischer und elektrischer Felder die eingefangene Wolke zunächst in zwei Teile aufzuspalten und ihre Schwingungen dann unabhängig voneinander zu manipulieren", erklärt die Erstautorin der Studie, Marine Pigneur, die die Experimente an der TU Wien durchgeführt hat, gegenüber der APA.

Erklärung gesucht

Über den quantenmechanischen Tunneleffekt können Atome jederzeit von einer Seite auf die andere wechseln. Dadurch werden die Schwingungen der beiden Atomwolken miteinander gekoppelt und stehen in einer gegenseitigen Wechselwirkung. "Man kann sich das vorstellen wie zwei parallel schwingende Pendel, die über ein Gummiband miteinander verbunden sind", so Schmiedmayer. Schwingen die Pendel zu Beginn nicht exakt im Gleichtakt, so sorgt das Gummiband dafür, dass sich die Bewegungen im Laufe der Zeit synchronisieren, indem es die Schwingungen der Pendel dämpft und ihnen Energie entzieht.

Einen ähnlichen Effekt haben die Wissenschafter nun in ihren Experimenten beobachtet: Innerhalb weniger Millisekunden waren die Schwingungen völlig synchron, was auf einen Mechanismus hindeutet, über den Energie aus dem System verloren geht. "Wir müssen jetzt einen Prozess finden, der diese Dämpfung erklärt und ihn in die bestehenden Theorien einbauen", so Pigneur.