Der Selbstorganisation von Quantenkristallen auf der Spur
Giovanna Morigi und Tom Schmit liefern eine Ab-initio-Modellierung für ein Experiment an der ETH Zürich.
Die Selbstorganisation ist ein grundlegendes Naturphänomen, das man sowohl in kleinen Skalen unter dem Mikroskop als auch im Weltall beobachten kann. Es ist allgegenwärtig und zeigt sich etwa eindrucksvoll bei Vogelschwärmen. Im Quantenbereich ist die Selbstorganisation noch weitgehend unerforscht. Forscherteams an der ETH Zürich und der Saar-Universität konnten nun die Mechanismen enthüllen, die zur Selbstorganisation eines Quantengases in Form eines Kristalls und zu seinem Zerfall führen.
Wenn die Kraniche fliegen, kann man beobachten, wie sich in einem Vogelschwarm einzelne Elemente spontan zu kollektiven Strukturen zusammenschließen. Die Eigenschaften solcher Strukturen in der Natur können sich stark von der Summe der Eigenschaften ihrer Bestandteile unterscheiden. Im Quantenbereich war bisher nur bekannt, dass die Selbstorganisation eine grundlegende Rolle bei Phänomenen wie zum Beispiel der Supraleitung, dem Magnetismus oder den Quantenphasenübergängen spielt. Das Verständnis der Mechanismen, die zur Selbstorganisation und zu ihrem Zerfall im Quantenbereich führen, ist daher von entscheidender Bedeutung. Es ist zum einen wichtig, um das Wissen über die grundlegenden Prinzipien des Universums zu erweitern und vertiefen sowie auch, um Quantentechnologien zu entwickeln. Denn bei Quantensystemen ist eine präzise Kontrolle der zugrundeliegenden Mechanismen unerlässlich.
Stichwort Selbstorganisation
Strömungen der Forschung
Aktivität stabilisiert Gemische
Zellen mit Licht in Form bringen
Selbstorganisation lebender Materie
Komplexe Biosysteme entwerfen
Ein Team von experimentellen Physikern der ETH Zürich untersuchte gemeinsam mit einem Team von theoretischen Quantenphysikern der Universität des Saarlandes, wie sich Atome in der Gasphase selbst zu kristallinen Strukturen organisieren können. Die Atome wurden dafür elektromagnetischen Feldern in zwei Hohlraumresonatoren ausgesetzt. Frühere Studien beider Teams zeigten, dass die Atome unter diesen Bedingungen geordnete, kristallähnliche Strukturen bilden können – Bragg-Gitter, die Licht kohärent in einen der Resonatoren emittieren. Wenn man nun jedoch die Parameter veränderte und das System in einen Zustand brachte, in dem sich die Strukturen auflösen und neu anordnen sollten, um in den anderen Resonator zu emittieren, konnten die Forscher stattdessen ein überraschendes Verhalten beobachten: Die Muster blieben über unerwartet lange Zeit bestehen, bevor sie abrupt in die stabilen Bragg-Gitter übergingen – ein Hinweis auf ein quantenmetastabiles Verhalten.
Eine Ab-initio-Modellierung reproduzierte die beobachtete Dynamik und zeigte, dass diese metastabile Struktur auf die Streuung von Resonator-Photonen an mehreren Atomen entsteht. Diese Prozesse führen zu „langreichweitigen“ Wechselwirkungen zwischen den Atomen und zur Selbststabilisierung der räumlichen Strukturen. Darüber hinaus wies die beschriebene Dynamik universelle Merkmale von Metastabilität auf, einem Phänomen, das in völlig unterschiedlichen Systemen auftritt – von gravitativ gebundenen Sternhaufen bis hin zu geladenen Teilchen in Plasmen. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelang es damit, die Schlüsselelemente zu identifizieren, mit denen sich diese wechselseitige Dynamik, an der Hunderttausende von Atomen beteiligt sind, gezielt steuern lässt.
Die Forschungsarbeit wirft ein Licht auf die mikroskopischen Mechanismen, die Quantenzustände der Materie stabilisieren, und unterstreicht das Potenzial von Licht-Materie-Wechselwirkungen, mit denen Korrelationen in Vielteilchen-Quantensystemen gezielt erzeugt werden können. Damit eröffnen sich neue Wege für das Design von Quantenmaterialien und die Quantendynamik mit Hilfe von Hohlraumresonatoren. [UdS / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
A. Baumgärtner et al., Stability and decay of subradiant patterns in a quantum gas with photon-mediated interactions, Sci. Adv. 11 (29), 16. Jul 2025; DOI 10.1126/sciadv.adw0299 - Cavity Lab, Quantenoptik (Tobias Donner), Institut für Quantenelektronik (IQE), Department Physik > Institute for Quantum Electronics, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
- Theoretical Quantum Physics (Giovanna Morigi), Fachrichtung Physik, Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät, Universität des Saarlandes, Saarbrücken
