12.08.2019

Quanten brechen Symmetrie

Supraflüssigkeit aus Lithiumatomen zeigt Abweichung von der Skalensymmetrie.

Viele Phänomene der Natur zeigen in ihrer dynamischen Entwicklung Symmetrien, die Aufschluss über den inneren Mechanismus eines Systems geben können. Im Bereich der Quanten­physik sind diese Symmetrien jedoch nicht immer erfüllt. Wissenschaftler vom Zentrum für Quanten­dynamik der Universität Heidelberg konnten bei Labor­experimenten mit ultrakalten Lithiumatomen nun erstmals eine bereits in der Theorie vorher­gesagte Abweichung von der klassischen Symmetrie nachweisen. 

Abb.: Eine Wolke aus Quanten­teilchen verletzt bei Ausdehnung die...
Abb.: Eine Wolke aus Quanten­teilchen verletzt bei Ausdehnung die Skalen­symmetrie. (Bild: Enss)

„In der Welt der klassischen Physik steigt die Energie eines idealen Gases proportional zum Druck, den man darauf ausübt. Das ist eine unmittelbare Folge der Skalen­symmetrie, und dieselbe Relation gilt in jedem skalen­invarianten System. In der Welt der Quanten­mechanik können jedoch die Wechsel­wirkungen zwischen Quantenteilchen so stark werden, dass diese klassische Skalensymmetrie nicht mehr gültig ist“, erläutert Tilman Enss vom Institut für Theoretische Physik, dessen Forschungs­gruppe bei diesen Experimenten mit der Gruppe von Selim Jochim vom Physikalischen Institut zusammen­arbeitet.

Bei ihren Experimenten haben die Forscher das Verhalten eines ultrakalten, supra­flüssigen Gases aus Lithiumatomen untersucht. Wenn das Gas aus seinem Gleichgewichts­zustand gebracht wird, beginnt es sich in einer atmenden Bewegung immer wieder auszudehnen und zu komprimieren. Anders als klassische Teilchen können sich diese Quanten­teilchen zu Paaren verbinden, was dazu führt, dass sich die Supra­flüssigkeit umso schwerer komprimieren lässt, je dichter sie ist.

Eine solche Abweichung von der klassischen Skalen­symmetrie hat nun die Gruppe Puneet Murthy und Nicolo Defenu – Mitarbeiter von Jochim und Enss – beobachtet und damit die Quanten­natur dieses Systems unmittelbar nachgewiesen. Dieser Effekt gibt, so die Wissen­schaftler, einen besseren Einblick in das Verhalten von Systemen mit ähnlichen Eigen­schaften wie Graphen oder Supraleitern, bei denen Strom ohne jeglichen Widerstand fließen kann, wenn deren Sprung­temperatur unterschritten wird.

U. Heidelberg / JOL

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