Gut Quant will Weile haben

Die Quanteneigenschaften von Teilchen in Festkörpern sind nur schwierig zu untersuchen. Quantensimulationen an künstlichen Systemen eröffnen völlig neue Möglichkeiten im Labor. Unter kontrollierbaren Bedingungen können hier die Wechsel­wirkungen der einzelnen Teilchen in einem Vielteilchen­system analysiert werden. Gemeinsam mit Experimental­physikern der Universität Paris-Saclay haben Theoretiker um Andreas Läuchli vom Institut für theoretische Physik der Universität Inns­bruck nun die zeitliche und räumliche Ausbreitung von Quanten­korrelationen in zwei­dimensionalen Systemen aus Rubidium-Atomen beobachtet und quantitativ bestimmt.

Im Experiment an der Universität Paris-Saclay lassen sich Rubidium-Atome mit Hilfe von optischen Pinzetten in fast beliebigen Mustern anordnen. Für die aktuelle Arbeit erzeugten die Physiker eine Kristall­struktur aus 36 Atomen, auf die sie einen weiteren Laser­strahl richteten. Dieser regte die Atome so stark an, dass sie in einen Rydberg-Zustand übergingen, in dem ein äußeres Elektron sehr weit vom Atomkern entfernt ist. Weil aber benachbarte Atome nicht gleich­zeitig in diesem Zustand verharren können, müssen die Teilchen erst bemerken, welchen Zustand die Nachbar­teilchen einnehmen wollen.

Diesen „Aushandlungsprozess“ haben die Wissenschaftler gemessen und sie konnten so die Ausbreitung der Korrelationen mitverfolgen. „Wir sehen, wie das System nach und nach in einen Zustand findet, bei dem keines der benachbarten Atome gleich­zeitig in einem Rydberg-Zustand ist“, erzählt Michael Schuler aus der Arbeitsgruppe von Andreas Läuchli. „Wir haben die Ausbreitung von Korrelationen noch nie in dieser Schönheit gesehen.“

„Dieses Ausbreiten von Korrelationen geht nicht beliebig schnell, sondern es braucht Zeit, bis die Information über den Zustand der Nachbarn durch das System wandert“, erklärt Andreas Läuchli. „Die Information kann sich also nur mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten. Dies konnten wir hier zum ersten Mal in einem zwei­dimensionalen Quanten­system beobachten.“ Interessant ist das nicht nur für ein besseres Verständnis von Vielteilchen­systemen, es ist auch eine wichtige Information für Quanten­experimente mit vielen Teilchen. „Wir zeigen, wie schnell man Quanten­zustände in ausgedehnten Systemen aufbauen kann“, resümiert Andreas Läuchli.

U. Innsbruck / DE