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Geschüttelt, nicht gerührt Kontrolle über komplexe Systeme vieler Quantenteilchen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

An der TU Wien wurde ein neue Methode entwickelt, quantenmechanische Schwingungszustände für Präzisionsmessungen zu verwenden. Das bekannte Konzept des Ramsey Interferometers wird auf ein komplexes Vielteilchensystem übertragen, das aus hunderten Atomen besteht.

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Zeitlicher Verlauf der Schwingung des Bose-Einstein-Kondensats
Zeitlicher Verlauf der Schwingung des Bose-Einstein-Kondensats
(Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Quantenteilchen benehmen sich manchmal wie Wellen. Für Hochpräzisions-Messungen nutzt man das gerne aus, beispielsweise für Atom-Uhren. Während man normalerweise aber nur die Welleneigenschaften eines einzelnen Teilchens verwendet, gelang es einem Team der TU Wien nun, hunderte Rubidium-Atome eines ultrakalten Bose-Einstein-Kondensates durch gezieltes Schütteln gemeinsam quantenmechanisch zu kontrollieren. Damit kann man nicht bloß wie bisher innere Zustände einzelner Atome für interferometrische Messungen nutzen, sondern den kollektiven Bewegungszustand aller Teilchen.

Überlagerungen verschiedener Zustände

Nach den Regeln der Quantenphysik können manche physikalischen Größen nur ganz bestimmte Werte annehmen. Misst man etwa die Energie eines Elektrons im Atom, dann findet man es immer in speziellen Energiezuständen, andere Energie-Werte sind nicht erlaubt. Ähnliches gilt auch für die Bewegung von Teilchen, wenn man sie auf engem Raum einsperrt.

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„Wir fangen hunderte Rubidium Atome in einer magnetischen Falle und kühlen sie ab, sodass sie zu einem ultrakalten Bose-Einstein-Kondensat werden“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „Dieses Bose-Einstein-Kondensat verhält sich in dieser Falle dann wie eine gigantische Materiewelle.“ Allerdings erlaubt die Quantenphysik nicht jede Art von Bewegung, sondern nur ganz bestimmte Wellen.

Unterschiedliche Wellenzustände des Bose-Einstein-Kondensats

„Man kann sich das vorstellen wie Schallwellen in einer Flöte“, sagt Sandrine van Frank. „Bläst man hinein, entsteht eine Schallwelle mit einer bestimmten Schwingung, bläst man stärker, erzeugt man einen höheren Oberton.“ Quantenphysikalisch ist es allerdings möglich, verschiedene Wellen-Zustände gleichzeitig anzuregen. Mit einem maßgeschneiderten elektromagnetischen Puls lässt sich das Bose-Einstein-Kondensat schütteln, sodass es nicht bloß einen der zwei erlaubten Bewegungs-Wellenzustände annimmt, sondern beide auf ein Mal.

Eine solche Überlagerung von Zuständen ist in der Quantenphysik ganz normal. Bemerkenswert ist allerdings, dass es hier gelingt, ein für Quanten-Maßstäbe großes System aus hunderten Atomen mit sehr vielen internen Freiheitsgraden in so einen Überlagerungs-Zustand zu versetzen. Diese Überlagerungen sind nämlich meist extrem fragil, und je größer ein Objekt ist, umso leichter werden die quantenmechanischen Eigenschaften von Überlagerungen aus mehreren erlaubten Zuständen zerstört – ein Phänomen, das man in der Quantenphysik „Dekohärenz“ nennt. Dekohärenz gilt heute als größtes Problem bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien wie dem Quantencomputer.

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