Dynamische Phasenübergänge

Forscher im Exzellenzcluster „The Hamburg Centre for Ultra­fast Imaging“ der Uni Hamburg haben erstmals einen dyna­mischen Quanten­phasen-Über­gang mit ultra­kalten Quanten­gasen beob­achtet. An diesen Gasen, die eine Tempe­ratur nahe dem abso­luten Null­punkt haben, lassen sich mit Hilfe von Laser­licht Messungen zum dyna­mischen Ver­halten von Atomen und Mole­külen durch­führen.

Ein Phasenübergang ist der Übergang eines Stoffes von einem Aggregat­zu­stand in den anderen, beispiels­weise das Gefrieren von Wasser zu Eis. Die Wasser­mole­küle ordnen sich dabei in Kris­tallen an und ihr Zustand hat dann eine größere Ordnung. Ein dyna­mischer Phasen­über­gang zwischen geord­neten und un­geord­neten Zuständen ist ein völlig neues Phänomen, das in iso­lierten Quanten­systemen auf­tauchen kann, die nicht im Aus­tausch von Stoff oder Energie mit ihrer Umwelt stehen. Dabei spielt die Zeit die Rolle des externen Para­meters, der beim Wasser-Eis-Beispiel die Tempe­ratur war. Bezogen auf dieses Beispiel stellt sich für die Forscher die Frage: Was passiert mit Wasser in einem Glas, das man schüttelt? Während Wasser in einem Glas jedoch nicht dyna­misch zwischen flüs­siger und fester Phase hin und her wechseln kann, ist das in der Quanten­welt möglich, denn in Quanten­systemen haben Teil­chen Eigen­schaften, die in der all­täg­lichen Welt nicht vor­kommen.

Um einen solchen dynamischen Phasenübergang in einem Quanten­system zu beob­achten, benutzte das Team um Klaus Seng­stock, Christof Weiten­berg und Ludwig Mathey ultra­kalte Atome in einem künst­lichen Kristall aus Laser­licht. Dieses optische Gitter für Atome wurde aus dem Gleich­ge­wicht gebracht, sozu­sagen geschüt­telt. Die Forscher ließen das System unter­schied­lich lange ent­wickeln, wobei plötz­lich eine neue Ord­nung auf­tauchte. Sie zeigte sich durch quanti­sierte Wirbel, die nach noch längeren Zeiten plötz­lich wieder ver­schwanden. Das System oszil­liert zwischen den beiden Ord­nungen.

Die Experimente werfen ein neues Licht auf das Verhalten von Quanten­materie außer­halb des Gleich­gewichts. Sie demon­strieren, dass man viel über grund­legende Eigen­schaften von Systemen lernen kann, indem man diese sehr stark anregt. Der Beitrag zur Grund­lagen­forschung in der Physik erhöht nach­haltig unser Ver­ständnis von dyna­mischen Vor­gängen in Quanten­systemen.

UHH / RK