Physiker berichten über „Quantenbumerang“-Effekt in ungeordneten Systemen

Physiker an der UC Santa Barbara haben als erste ein eigenartiges Verhalten der Quantenwelt experimentell beobachtet: einen „Quantenbumerang“-Effekt, der auftritt, wenn Teilchen in einem ungeordneten System aus ihren Positionen geschleudert werden. Anstatt woanders zu landen, wie man erwarten könnte, drehen sie um und kommen zu ihrem Ausgangspunkt zurück und halten dort an.

„Es ist wirklich ein grundlegend quantenmechanischer Effekt“, sagte der Atomphysiker David Weld, dessen Labor den Effekt erzeugte und in einem in veröffentlichten Artikel dokumentierte Körperliche Überprüfung X. „Für dieses Phänomen gibt es keine klassische Erklärung.“

Der Bumerang-Effekt hat seine Wurzeln in einem Phänomen, das der Physiker Philip Anderson vor etwa 60 Jahren vorhergesagt hat, einem störungsinduzierten Verhalten namens Anderson-Lokalisierung, das den Transport von Elektronen hemmt. Laut Roshan Sajjad, der Hauptautorin des Artikels, kann die Störung das Ergebnis von Unvollkommenheiten im Atomgitter eines Materials sein, seien es Verunreinigungen, Defekte, Fehlausrichtungen oder andere Störungen.

„Diese Art von Unordnung wird sie davon abhalten, sich irgendwohin zu zerstreuen“, sagte Sajjad. Infolgedessen lokalisieren sich die Elektronen, anstatt entlang des Gitters zu rasen, und verwandeln ein ansonsten leitendes Material in einen Isolator. Aus diesem ziemlich klebrigen Quantenzustand wurde vor einigen Jahren der Quantenbumerang-Effekt vorhergesagt.

Ungeordnete Elektronen von ihrer lokalisierten Position wegzuschießen und ihnen zu folgen, um ihr Verhalten zu beobachten, ist extrem schwierig, wenn nicht sogar derzeit unmöglich, aber das Weld Lab hatte ein paar Tricks im Ärmel. Unter Verwendung eines Gases aus 100.000 ultrakalten Lithiumatomen, die in einer stehenden Lichtwelle schweben und sie „treten“, indem sie einen sogenannten Quanten-Kick-Rotor emulieren („ähnlich einem periodisch getretenen Pendel“, sagten sowohl Weld als auch Sajjad), waren die Forscher in der Lage um das Gitter und die Unordnung zu erzeugen und den Start und die Rückkehr des Bumerangs zu beobachten. Sie arbeiteten im Impulsraum, einer Methode, die einige experimentelle Schwierigkeiten umgeht, ohne die zugrunde liegende Physik des Bumerang-Effekts zu verändern.

„Wenn Sie im normalen Positionsraum nach dem Bumerang-Effekt suchen, würden Sie Ihrem Elektron eine endliche Geschwindigkeit geben und dann prüfen, ob es an dieselbe Stelle zurückkehrt“, erklärte Sajjad. „Weil wir uns im Momentum-Raum befinden, beginnen wir mit einem System, das sich bei einem durchschnittlichen Momentum von null befindet, und suchen nach einer gewissen Abweichung, gefolgt von einer Rückkehr zu einem durchschnittlichen Momentum von null.“

Mit ihrem Quanten-Kick-Rotor pulsierten sie das Gitter ein paar Dutzend Mal und stellten eine anfängliche Verschiebung des durchschnittlichen Impulses fest. Im Laufe der Zeit und trotz wiederholter Kicks ging die durchschnittliche Dynamik jedoch auf Null zurück.

„Es ist einfach ein wirklich grundlegend anderes Verhalten“, sagte Weld. In einem klassischen System, erklärte er, würde ein auf diese Weise getretener Rotor reagieren, indem er ständig Energie aus den Tritten absorbiert. „Nehmen Sie eine Quantenversion desselben Dings, und Sie sehen, dass es beginnt, in kurzen Zeiten Energie zu gewinnen, aber irgendwann hört es einfach auf und absorbiert nie mehr Energie. Es wird zu einem sogenannten dynamisch lokalisierten Zustand.“

Dieses Verhalten sei auf die wellenartige Natur von Quantensystemen zurückzuführen.

„Dieser Brocken, den Sie wegschieben, ist nicht nur ein Teilchen, sondern auch eine Welle, und das ist ein zentrales Konzept der Quantenmechanik“, erklärte Weld. „Aufgrund dieser wellenartigen Natur ist es Interferenzen ausgesetzt, und diese Interferenz in diesem System stabilisiert eine Rückkehr und ein Verweilen am Ursprung.“ In ihrem Experiment zeigten die Forscher, dass periodische Tritte mit Zeitumkehrsymmetrie den Bumerang-Effekt erzeugen würden, aber zufällig zeitgesteuerte Tritte sowohl die Symmetrie als auch den Bumerang-Effekt zerstören würden.

Als nächstes für das Weld Lab: Wenn einzelne Bumerang-Effekte cool sind, wie viel mehr Party wäre es, wenn mehrere Bumerang-Effekte interagieren würden?

„Es gibt viele Theorien und Fragen darüber, was passieren sollte – würden Wechselwirkungen den Bumerang zerstören? Gibt es interessante Vielteilcheneffekte?“ Sagte Sajjad. „Die andere aufregende Sache ist, dass wir das System tatsächlich verwenden können, um den Bumerang in höheren Dimensionen zu untersuchen.“

Die Forschung zu diesem Projekt wurde auch von Jeremy L. Tanlimco, Hector Mas, Eber Nolasco-Martinez und Ethan Q. Simmons an der UCSB durchgeführt; Tommaso Macrì von der Universidade Federal do Rio Grande do Norte und Patrizia Vignolo von der Université Côte d’Azur.