Quantenmagnete in Bewegung

Das Verhalten mikroskopisch kleiner Quantenmagnete ist seit langem Gegenstand der Vorlesungen der Theoretischen Physik. Doch die Dynamik von weit aus dem Gleichgewicht geratenen Systemen zu untersuchen und „live“ zu beobachten, war bisher schwierig. Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching ist dies nun mit einem Quantengasmikroskop gelungen. Mit diesem Werkzeug lassen sich Quantensysteme manipulieren und dann so hochauflösend abbilden, dass sogar einzelne Atome sichtbar werden. Die Ergebnisse der Experimente an linearen Ketten von Spins zeigen, dass die Ausbreitung ihrer Orientierung der sogenannten Kardar-Parisi-Zhang-Superdiffusion entspricht. Dies bestätigt eine Vermutung, die kürzlich aus theoretischen Überlegungen hervorgegangen ist.

Ein Team von Physikern um Dr. Johannes Zeiher und Prof. Immanuel Bloch hat Objekte im Blick, die andere kaum zu Gesicht bekommen. Die Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching nutzen ein sogenanntes Quantengasmikroskop, um Vorgänge auf der winzigen Skala der Quantenphysik aufzuspüren. Ein solches Instrument erlaubt es, mit Hilfe von Atomen und Lasern gezielt Quantensysteme mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen und diese mit hoher Auflösung zu untersuchen. Bei diesen Experimenten konzentrieren sich die Forscher auch auf Transportphänomene – wie sich Quantenobjekte unter bestimmten äußeren Bedingungen bewegen.

Das Team hat nun eine überraschende experimentelle Entdeckung gemacht. Die Forscher konnten zeigen, dass der eindimensionale Transport von Spins – der Begriff „Spin“ steht für eine bestimmte, magnetische Quanteneigenschaft von Atomen und anderen Teilchen – in bestimmten Bereichen makroskopischen Phänomenen ähnelt. Prozesse im Quantenreich und in der Alltagswelt unterscheiden sich meist erheblich. „Aber unsere Arbeit zeigt eine interessante Verbindung zwischen quantenmechanischen Spinsystemen in kalten Atomen und klassischen Systemen wie wachsenden Bakterienkolonien oder sich ausbreitenden Waldbränden“, sagt Johannes Zeiher, Gruppenleiter in der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme am MPQ. „Diese Entdeckung ist völlig unerwartet und weist auf eine tiefe Verbindung im Bereich der Nichtgleichgewichtsphysik hin, die noch wenig verstanden ist.“

Physiker bezeichnen eine solche theoretische Analogie zwischen zufälliger Bewegung in Quanten- und klassischen Systemen als „Universalität“. Im konkreten Fall handelt es sich um die Kardar-Parisi-Zhang-Universalität (KPZ) – ein bisher nur aus der klassischen Physik bekanntes Phänomen.

Der aussagekräftige Exponent

Um das Phänomen mikroskopisch zu beobachten, kühlte das Garchinger Team zunächst eine Atomwolke auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt herunter. Bewegungen durch Hitze konnten so ausgeschlossen werden. Dann sperrten sie die ultrakalten Atome in ein speziell geformtes „kastenförmiges“ Potential, das durch eine Anordnung winziger Spiegel gebildet wurde. „Damit haben wir die Relaxation einer einzelnen magnetischen Domänenwand in einer Kette von 50 linear angeordneten Spins untersucht“, erklärt David Wei, Forscher in der Gruppe von Johannes Zeiher. Die Domänenwand trennt Bereiche mit identischer Orientierung benachbarter Spins voneinander. Die Domänenwand für das Experiment erzeugten die Forscher zunächst mit einem neuen Trick, bei dem durch Projektion von Licht ein „effektives Magnetfeld“ erzeugt wurde. Dabei können die Forscher die Kopplungen zwischen den Spins stark unterdrücken und quasi „einrasten“.

Die Relaxation innerhalb der Spinkette erfolgte nach kontrolliertem Einschalten der Kopplungen zwischen den Spins und folgte, wie sich herausstellte, einem charakteristischen Muster. „Mathematisch lässt sich das durch ein Potenzgesetz mit dem Exponenten 3/2 beschreiben“, sagt Wei – ein Hinweis auf den Zusammenhang mit der KPZ-Universalität. Ein weiterer Beweis für diese Beziehung wurde geliefert, als die Forscher die Bewegung einzelner Spins detektierten, die durch das Quantengasmikroskop sichtbar gemacht wurde.

„Diese hohe Präzision war die Basis für eine detaillierte statistische Auswertung“, sagt Zeiher. „Der auffällige Verlauf der Spindiffusion, den unser Experiment zeigte, entspricht in seiner mathematischen Form etwa der Ausbreitung eines Kaffeeflecks auf beispielsweise einer Tischdecke“, erklärt der Max-Planck-Physiker. Dass ein solch erstaunlicher Zusammenhang bestehen könnte, hatte ein Team von Theoretikern vor rund zwei Jahren aufgrund theoretischer Überlegungen vermutet. Eine experimentelle Bestätigung dieser Hypothese stand jedoch noch aus.

Ein altes Modell bringt Physiker zum Staunen

Zur Beschreibung quantenmechanischer Spinphänomene verwenden Physiker seit langem sehr erfolgreich das sogenannte Heisenberg-Modell (aber erst seit kurzem können Spintransportphänomene innerhalb dieses Modells theoretisch beschrieben werden). „Unsere Ergebnisse zeigen, dass auch innerhalb eines etablierten theoretischen Rahmens noch überraschende neue Erkenntnisse möglich sind“, betont Johannes Zeiher. „Und sie sind ein Beweis dafür, wie sich Theorie und Experiment in der Physik gegenseitig befruchten.“

Die Ergebnisse, die das Team in Garching nun erzielt hat, sind nicht nur von akademischem Wert. Sie könnten auch für konkrete technische Anwendungen nützlich sein. Beispielsweise bilden Spins auch die Grundlage für bestimmte Formen von Quantencomputern. Die Kenntnis der Transporteigenschaften der Informationsträger könnte für die praktische Realisierung solcher neuartiger Computerarchitekturen von entscheidender Bedeutung sein.

Die Studie erscheint in Wissenschaft.