Was Kraniche uns über die Selbstorganisation im Quantenbereich lehren können

Wenn Kraniche fliegen, sieht man, wie sich einzelne Vögel ganz von selbst zu einem geordneten Schwarm formieren. Solche kollektiven Muster entstehen spontan und haben oft ganz andere Eigenschaften als die einzelnen Tiere. Ähnliches passiert auch in der Quantenwelt – dort war bisher aber nur bekannt, dass Selbstorganisation eine wichtige Rolle bei Phänomenen wie Supraleitung, Magnetismus oder Quantenphasenübergängen spielt.

Selbstorganisation ist ein grundlegendes Naturprinzip, das in vielen Bereichen vorkommt – von winzigen Strukturen unter dem Mikroskop bis hin zu gewaltigen Vorgängen im Weltall. Auch im Alltag lässt sie sich beobachten, zum Beispiel, wie bereits erwähnt, bei Vogelschwärmen. In der Quantenwelt ist dieses Phänomen jedoch noch wenig erforscht. Nun ist es Forschenden der ETH Zürich und der Universität des Saarlandes gelungen, die Prozesse zu entschlüsseln, die zur Selbstorganisation eines Quantengases in eine kristallartige Struktur führen – und wie diese wieder zerfällt.

Denn bei Quantensystemen kommt es auf eine sehr genaue Kontrolle der Prozesse an, die dahinterstecken. Ihre Ergebnisse wurden im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.

Die Forschenden haben untersucht, wie sich Atome in einem Gas ganz von selbst zu kristallartigen Strukturen anordnen können. Dafür wurden die Atome in zwei spezielle Hohlräume (Resonatoren) gebracht und dort elektromagnetischen Feldern ausgesetzt.

Wenn geordnete Strukturen überraschend stabil bleiben

Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass sich die Atome unter diesen Bedingungen in sogenannten Bragg-Gittern anordnen – das sind regelmäßige Muster, die Licht geordnet in einen der Resonatoren senden. Als die Forschenden jedoch die Bedingungen veränderten, sodass sich die Strukturen eigentlich neu anordnen und in den anderen Resonator emittieren sollten, geschah etwas Unerwartetes: Die bisherigen Muster blieben ungewöhnlich lange bestehen und brachen dann plötzlich zusammen – und zwar direkt in die neue, stabile Struktur.

Dieses Verhalten wird als quantenmetastabil bezeichnet – ein Zustand, in dem ein System vorübergehend stabil erscheint, bevor es abrupt in einen anderen Zustand übergeht.

Ein theoretisches Modell, das sogenannte Ab-initio-Modell, konnte das überraschende Verhalten der Atome genau nachbilden. Es zeigte: Die metastabilen Strukturen entstehen, weil Lichtteilchen (Photonen) im Resonator von mehreren Atomen gestreut werden. Dadurch wirken die Atome auch über größere Entfernungen aufeinander – sogenannte langreichweitige Wechselwirkungen. Diese Kräfte helfen dabei, die geordneten Strukturen im Atomgas stabil zu halten.

Metastabilität und Kontrolle in Vielteilchen-Quantensystemen

Solche langreichweitigen Wirkungen bedeuten, dass sich Atome gegenseitig beeinflussen können, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Das beobachtete Verhalten zeigte zudem typische Merkmale der Metastabilität – ein Zustand, der in vielen sehr unterschiedlichen Systemen vorkommt, zum Beispiel in Sternhaufen oder Plasmen (geladenen Teilchensystemen).

Den Forschenden gelang es, die wichtigsten Faktoren zu identifizieren, mit denen man diese komplexen Wechselwirkungen gezielt beeinflussen kann – obwohl Hunderttausende von Atomen beteiligt sind.

Die Forschung zeigt, wie bestimmte Vorgänge auf kleinster Ebene dabei helfen, Quantenzustände stabil zu halten. Außerdem macht sie deutlich, welches Potenzial in der gezielten Wechselwirkung von Licht und Materie steckt: So lassen sich Verbindungen (Korrelationen) zwischen vielen Quantenteilchen gezielt herstellen.

Das eröffnet neue Möglichkeiten – zum Beispiel für die Entwicklung spezieller Quantenmaterialien oder für die gezielte Steuerung von Quantensystemen mithilfe von Hohlraumresonatoren.

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