21.01.2020

Lawinenverhalten im Quantenbereich

Ultrakalte Quantensysteme erlauben kontrollierte Untersuchung der selbstorganisierten Kritikalität.

Wissenschaftler haben erstmals das Konzept der „selbst­organisierten Kritikalität“ experimentell in einem Quantensystem beobachtet. Das Konzept besagt, dass komplexe Systeme im Nichtgleichgewicht dazu neigen, sich von selbst in einen kritischen Zustand fernab von einem stabilen Gleichgewicht zu entwickeln – sie verstärken also ihr eigenes Nicht­gleich­gewicht. So können auf den ersten Blick so unterschiedliche Systeme wie die Verbreitung von Informationen in sozialen Netzwerken oder die Ausbreitung von Feuer oder Krankheit ähnliche Eigenschaften haben. Ein Beispiel ist ein lawinen­artiges Verhalten, das sich selbst verstärkt anstatt zum Erliegen zu kommen. 
 

Abb.: Die selbstorganisierte Kritikalität lässt sich an ultrakalten Atomen...
Abb.: Die selbstorganisierte Kritikalität lässt sich an ultrakalten Atomen kontrolliert untersuchen. (Bild: Exotic Quantum Matter Group, U. Strasbourg)

Diese komplexen Systeme sind unter kontrollierten experimentellen Bedingungen allerdings nur sehr schwer zu untersuchen. Erstmals ist es Forschern des Europäischen Zentrums für Quanten­wissenschaften (CESQ) in Straßburg in Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten Köln und Heidelberg sowie des California Institute of Technology gelungen, die wichtigsten Merkmale der selbst­organisierten Kritikalität experimentell quantitativ zu charakterisieren – insbesondere das universelle Lawinenverhalten. 

Das Team arbeitete mit einem Gas aus Kaliumatomen, das sie bei sehr niedrigen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt, präparierten. „In diesem Zustand ist das Gas leichter zu kontrollieren und damit geeignet, die fundamentalen Quanten­eigenschaften von Atomen zu untersuchen“, sagt Shannon Whitlock vom Institut für Supramolekulare Wissenschaft und Technik der Universität Straßburg.

Indem sie Gasatome mit Hilfe von Lasern anregten, konnten die Forscher die Wechselwirkungen zwischen diesen Atomen beeinflussen. „Wenn sie angeregt werden, können die Atome entweder neue sekundäre Anregungen erzeugen oder sich spontan entladen“, erklärt Tobias Wintermantel, Doktorand im Team von Whitlock. In diesem Fall jedoch beeinflusste es die Entwicklung des Gases in einer Weise, die die Forscher faszinierte.

Wenn der Laser eingeschaltet wurde, entwichen viele Atome anfänglich besonders schnell. Ihre verbleibende Anzahl im Gas stabilisierte sich daraufhin jedoch immer auf dem gleichen Wert. Eine weitere Beobachtung: Die Anzahl der verbleibenden Partikel hing von der Intensität des Lasers über ein Schwellen­wert­verhalten ab. „Durch den Vergleich unserer experimentellen Ergebnisse mit einem theoretischen Modell konnten wir feststellen, dass diese beiden Effekte den gleichen Ursprung haben“, sagt der theoretische Physiker Sebastian Diehl von der Universität zu Köln. Dies war ein erster Hinweis auf das Phänomen der selbst­organisierten Kritikalität. 

„Die Experimente zeigten, dass sich einige Systeme von selbst bis zu ihrem kritischen Punkt des Phasenübergangs entwickeln“, so Diehl. Das ist überraschend – in einem typischen Phasenübergang, wie er beispiels­weise beim Kochen von Wasser von einer flüssigen in eine gasförmige Phase auftritt, gibt es nur einen einzigen kritischen Punkt. Selbst­organisierte Kritikalität würde beim Wasserkochen bedeuten, dass das System selbständig am kritischen Übergangs­punkt in einem Schwebezustand zwischen flüssig und gasförmig verharren würde, auch wenn die Temperatur geändert wird. Bislang wurde dieses Konzept in noch keinem so hochgradig kontrollierbaren physikalischen System verifiziert und getestet.

Nach ihrem Experiment kehrte das Team ins Labor zurück, um ein weiteres auffälliges Merkmal der selbst­organisierten Kritikalität zu bestätigen: ein selbst­erhaltendes Verhalten von atomarem Zerfall, das dem von ständig nachgefütterten Lawinen gleicht. Ähnliche Charakteristika wurden in der Vergangenheit bereits in anderen Kontexten – wie Erdbeben oder Sonnen­ausbrüchen – lediglich qualitativ beobachtet. „Wir konnten hier erstmals die Schlüsselelemente der selbst­organisierten Kritikalität auch quantitativ experimentell beobachten und so ein spezifisch kontrollierbares atomares Experimentier­system etablieren“, sagt Shannon Whitlock. 

In weiteren Schritten möchten die Wissenschaftler nun untersuchen, wie die Quantennatur der Atome den Selbst­organisations­mechanismus beeinflusst. „Wir könnten sie dann langfristig möglicherweise nutzen, um neue Quantentechnologien zu schaffen oder um einige Rechenprobleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern schwierig sind“, so Diehl.

U. Köln / DE
 

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