Chaos in der Quantenwelt

Selbst einfache quantenmechanische Systeme mit nur wenigen Freiheitsgraden können sich chaotisch verhalten. Ein Team von Physikern hat ein solches Quantenchaos nun erstmals in einem Gas aus ultrakalten Atomen nachgewiesen. Die Beobachtungen lassen sich mit einer etablierten Theorie zur Beschreibung komplexer Systeme erklären. Damit öffnet die in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichte Forschungsarbeit eine neue Sicht auf die Wechselwirkungen zwischen Teilchen in ultrakalten Systemen.

„Wir sehen zum ersten Mal Quantenchaos im Streuverhalten ultrakalter Atome“, sagt Koautorin Francesca Ferlaino von der Universität Innsbruck. In ihrem Experiment kühlten die Forscher Erbiumatome auf wenige hundert Nanokelvin herunter und brachten sie in eine Laserfalle ein. Dann setzten sie die gefangenen Teilchen einem Magnetfeld aus und untersuchten deren Streuverhalten. Bei bestimmten Einstellungen des Magnetfeldes verbanden sich jeweils zwei der Erbium-Atome zu einem schwach gebundenen Molekül – ein Vorgang, der auch als Resonanz bezeichnet wird. Insgesamt 14 000-mal wiederholten die Physiker das Experiment mit verschiedenen Magnetfeldern und entdeckten dabei nahezu zweihundert Resonanzen. „Wir waren fasziniert davon, wie viele solcher Resonanzen wir fanden. Das ist ohne Beispiel in der Physik ultrakalter Quantengase“, berichtet Erstautor Albert Frisch aus dem Team von Ferlaino.

Um die hohe Dichte an Resonanzen erklären zu können, griffen Ferlaino und ihre Kollegen zu statistischen Methoden. Dabei bedienten sie sich der sogenannten Zufallsmatrixtheorie (engl.: Random Matrix Theory), mit der sich komplexe Systeme beschreiben lassen. Diese Theorie hat der Nobelpreisträger Eugene Wigner in den 1950er-Jahren formuliert. Sie findet heute nicht nur breite Anwendung in der Physik, sondern auch in der Zahlentheorie, in der drahtlosen Nachrichtentechnik und im Finanzmarktmanagement. Schon länger vermuten Forscher, dass sich die Theorie auch auf quantenmechanische Systeme anwenden lässt. Dies konnte Ferlaino zusammen mit Kollegen von der US-amerikanischen Temple University in Philadelphia nun mithilfe von Computersimulationen bestätigen.

„Die besonderen Eigenschaften von Erbium führen zu einem sehr komplexen Bindungsverhalten zwischen den Teilchen, das als chaotisch beschrieben werden kann“, erklärt die Physikerin. Erbium ist vergleichsweise schwer und besitzt ein magnetisches Moment, wodurch die Wechselwirkung der Atome stark von der Richtung abhängt. „Die Elektronenhüllen dieser Atome gleichen keinen Kugelschalen, sondern sind stark verformt“, ergänzt Albert Frisch. „Die Art der Wechselwirkung zweier Erbium-Atome unterscheidet sich dadurch maßgeblich von bisher untersuchten Quantengasen.“ Die Zufallsmatrixtheorie von Wigner brachte insbesondere ans Licht, dass die unterschiedlichen Molekülniveaus miteinander gekoppelt sind.

Unter Chaos verstehen Physiker nicht Unordnung, sondern ein wohlgeordnetes System, das aber aufgrund seiner Komplexität ein nicht vorhersagbares Verhalten zeigt. „Für das Verhalten eines einzelnen Atoms können wir in unserem Experiment keine genaue Aussage treffen, mithilfe von statistischen Methoden lässt sich aber sehr wohl das Verhalten aller Teilchen beschreiben. Uns steht damit ein sehr gut kontrollierbares Experiment zur Verfügung, um chaotische Prozesse genauer zu studieren“, ist Feriano überzeugt.