Neue Experimente mit eindimensionalen Gasen ultrakalter Atome offenbaren eine Universalität darin, wie sich Quantensysteme, die aus vielen Teilchen bestehen, im Laufe der Zeit verändern, nachdem ein großer Energiezufluss das System aus dem Gleichgewicht bringt. Ein Team von Physikern an der Penn State University zeigte, dass diese Gase sofort reagieren und sich mit Merkmalen „entwickeln“, die allen „Vielteilchen“-Quantensystemen gemeinsam sind, die auf diese Weise aus dem Gleichgewicht geraten. Ein Artikel, der die Experimente beschreibt, erscheint am 17. Mai 2023 in der Zeitschrift Natur.
„Viele große Fortschritte in der Physik im letzten Jahrhundert betrafen das Verhalten von Quantensystemen mit vielen Teilchen“, sagte David Weiss, angesehener Professor für Physik an der Penn State und einer der Leiter des Forschungsteams. „Trotz der erstaunlichen Vielfalt verschiedener ‚Vielteilchen‘-Phänomene wie Supraleitung, Supraflüssigkeit und Magnetismus wurde festgestellt, dass ihr Verhalten in der Nähe des Gleichgewichts oft so ähnlich ist, dass sie in eine kleine Menge universeller Klassen eingeteilt werden können.“ Das Verhalten von Systemen, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, hat nur wenige derart einheitliche Beschreibungen hervorgebracht.“
Diese Quanten-Vielteilchensysteme sind Ensembles von Teilchen, wie Atomen, die sich relativ zueinander frei bewegen können, erklärte Weiss. Wenn sie eine Kombination aus dicht und kalt genug sind, was je nach Kontext variieren kann, ist die Quantenmechanik – die grundlegende Theorie, die die Eigenschaften der Natur auf atomarer oder subatomarer Ebene beschreibt – erforderlich, um ihre Dynamik zu beschreiben.
In Teilchenbeschleunigern entstehen regelmäßig dramatisch aus dem Gleichgewicht geratene Systeme, wenn Paare schwerer Ionen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Die Kollisionen erzeugen ein Plasma – bestehend aus den subatomaren Teilchen „Quarks“ und „Gluonen“ – das sehr früh in der Kollision entsteht und durch eine hydrodynamische Theorie beschrieben werden kann – ähnlich der klassischen Theorie zur Beschreibung von Luftströmungen oder anderen sich bewegenden Flüssigkeiten – lange bevor das Plasma das lokale thermische Gleichgewicht erreicht. Doch was passiert in der erstaunlich kurzen Zeit, bevor die hydrodynamische Theorie angewendet werden kann?
„Der physikalische Prozess, der abläuft, bevor die Hydrodynamik genutzt werden kann, wird ‚Hydrodynamisierung‘ genannt“, sagte Marcos Rigol, Professor für Physik an der Penn State und weiterer Leiter des Forschungsteams. „Viele Theorien wurden entwickelt, um zu versuchen, die Hydrodynamisierung bei diesen Kollisionen zu verstehen, aber die Situation ist ziemlich kompliziert und es ist nicht möglich, sie tatsächlich zu beobachten, wie sie in den Experimenten mit Teilchenbeschleunigern geschieht. Mithilfe kalter Atome können wir beobachten, was dabei passiert.“ Hydrodynamisierung.“
Die Forscher der Penn State nutzten zwei Besonderheiten eindimensionaler Gase, die von Lasern eingefangen und auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, um die Entwicklung des Systems zu verstehen, nachdem es aus dem Gleichgewicht geraten ist, aber bevor die Hydrodynamik dies kann angewendet werden. Das erste Feature ist experimentell. Wechselwirkungen im Experiment können zu jedem Zeitpunkt nach dem Energieeinfluss plötzlich ausgeschaltet werden, sodass die Entwicklung des Systems direkt beobachtet und gemessen werden kann. Insbesondere beobachteten sie die zeitliche Entwicklung eindimensionaler Impulsverteilungen nach dem plötzlichen Energieverlust.
„Ultrakalte Atome in aus Lasern hergestellten Fallen ermöglichen eine so hervorragende Kontrolle und Messung, dass sie wirklich Licht auf die Vielteilchenphysik werfen können“, sagte Weiss. „Es ist erstaunlich, dass die gleiche grundlegende Physik, die relativistische Schwerionenkollisionen charakterisiert, einige der energiereichsten Kollisionen, die jemals in einem Labor durchgeführt wurden, auch in den viel weniger energiereichen Kollisionen, die wir in unserem Labor durchführen, zum Ausdruck kommt.“
Das zweite Merkmal ist theoretisch. Eine Ansammlung von Teilchen, die auf komplizierte Weise miteinander interagieren, kann als Ansammlung von „Quasiteilchen“ beschrieben werden, deren gegenseitige Wechselwirkungen viel einfacher sind. Anders als in den meisten Systemen ist die Quasiteilchenbeschreibung eindimensionaler Gase mathematisch exakt. Es ermöglicht eine sehr klare Beschreibung, warum Energie im System schnell umverteilt wird, nachdem es aus dem Gleichgewicht gerät.
„Bekannte Gesetze der Physik, einschließlich Erhaltungsgesetze, in diesen eindimensionalen Gasen implizieren, dass eine hydrodynamische Beschreibung korrekt sein wird, sobald diese anfängliche Entwicklung abgeschlossen ist“, sagte Rigol. „Das Experiment zeigt, dass dies geschieht, bevor das lokale Gleichgewicht erreicht ist. Das Experiment und die Theorie zusammen stellen daher ein Modellbeispiel für die Hydrodynamisierung dar. Da die Hydrodynamisierung so schnell erfolgt, kann das zugrunde liegende Verständnis der Quasiteilchen auf jedes Vielteilchenquant angewendet werden.“ System, dem sehr viel Energie zugeführt wird.
Zum Forschungsteam der Penn State gehören neben Weiss und Rigol auch Yuan Le, Yicheng Zhang und Sarang Gopalakrishnan.
Mehr Informationen:
Yuan Le et al., Beobachtung der Hydrodynamisierung und lokalen Vorwärmung in 1D-Bose-Gasen, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9