Universalität in ultrakalten Atomwolken

Unter­schiedliche physi­kalische Systeme – in sich abgeschlossen und fern des Gleichgewichts – können sich vergleichbar verhalten. Das ist in der Quanten­mechanik dann der Fall, wenn die Dynamik dieser Vielteilchen­systeme universell wird. Physikern der Universität Heidelberg und der Technischen Univer­sität Wien ist es jetzt gelungen, in zwei grund­verschiedenen Experimenten eine solche Univer­salität in ultrakalten Wolken von Rubidium-Atomen nachzu­weisen. Dies erlaubt es, das bessere Verständnis des untersuchten Systems zu nutzen, um Vorher­sagen über ganz andere Systeme zu treffen.

Die Expansion des Universums unmittelbar nach dem Urknall, die Folgen einer Kollision schwerer Ionen im Teilchen­beschleuniger des Forschungs­zentrums Cern oder Wolken von Atomen bei extrem niedrigen Temperaturen – viele abge­schlossene physi­kalische Systeme sind natürlicher­weise nicht im Gleich­gewicht, jedoch sind die rele­vanten Größen oft nur schwer messbar. Das ist im Fall ultra­kalter Atomgase anders. „Die hohe Kontrolle über unser System erlaubt es uns, gezielt interes­sante Anfangs­zustände zu erzeugen und im Laufe der Dynamik die univer­sellen Messgrößen, zum Beispiel den Zustand der Atome, an jedem Ort präzise auszulesen“, erläutert Markus Ober­thaler, Gründer der Forschungs­gruppe Synthetische Quantensysteme am Kirchhoff-Institut für Physik der Univer­sität Heidelberg.

In ihrem Experiment präpa­rierten die Heidel­berger Forscher rund 70.000 ultrakalte Rubidium-Atome. Diese wurden durch das schnelle Ändern eines von außen angelegten Magnet­feldes aus dem Gleich­gewicht gebracht. Bei ultra­kalten Temperaturen von etwa zehn Nanokelvin und perfekter Isolation von der Umgebung verhalten sich die Atome wie Magnete, die miteinander in Wechsel­wirkung treten. Dabei lassen sich die Charak­teristiken der univer­sellen Dynamik erst nach – für Experi­mente mit ultra­kalten Atomen – langen Wartezeiten beobachten. „Dies erfordert eine hohe Stabilität des experi­mentellen Aufbaus, erlaubt es uns jedoch, die Dynamik genau zu unter­suchen“, sagt Maximilian Prüfer.

Einen weiteren Typ univer­seller Dynamik hat die Forschungs­gruppe von Jörg Schmiedmayer an der Technischen Univer­sität Wien beobachtet. „Univer­salität bedeutet, dass man nun eine neue Methode zur Verfügung hat, um wichtige Infor­mationen über normaler­weise im Labor unzugäng­liche Quanten­systeme zu erhalten“, sagt Schmiedmayer. Beteiligt an den Unter­suchungen waren Thomas Gasenzer vom Kirchhoff-Institut für Physik und Jürgen Berges vom Institut für Theo­retische Physik an der Univer­sität Heidelberg.

Die Charak­terisierung von quanten­mechanischen Vielteilchen­systemen fern des Gleichgewichts ist unter anderem für das Verständnis der Struktur­bildung in der Natur von besonderer Bedeutung. Markus Oberthaler betont: „Das beein­druckende Ergebnis der beiden Experimente ist, dass wir zwei verschiedene Univer­salitäts­klassen gefunden haben. Das legt nahe, dass wir einer funda­mentalen Struktur auf der Spur sind.“ Die Arbeiten in Heidelberg und Wien wurden im Rahmen des Sonder­forschungs­bereichs „Quantensysteme unter extremen Bedingungen im Fokus von Experiment und Theorie“ der Univer­sität Heidelberg durch­geführt.

U. Heidelberg / JOL