Quantensimulator verletzt physikalisches Prinzip

In manchen Quantensystemen wechselwirken die Teilchen sehr stark miteinander, etwa die Elektronen in Supraleitern. Um das Verhalten dieser Quantensysteme im Experiment nachstellen zu können, nutzen Wissenschaftler sogenannte Quantensimulatoren aus ultrakalten Atomen. Ein Forscherteam um Alma Bardon von der University of Toronto in Kanada hat nun entdeckt, dass ultrakalte Atome ihr Verhalten in einem äußeren Magnetfeld blitzartig umstellen können: Innerhalb einer Millisekunde wechseln sie von einem Zustand, in dem sie unabhängig voneinander agieren, in einen anderen mit starken Wechselwirkungen. Über ihre Beobachtung berichten die Forscher im Fachblatt „Science“.

Bardon und ihre Kollegen sperrten ein Gas aus ultrakalten Kaliumatomen in eine optische Falle und setzten es einem gleichförmigen Magnetfeld aus. Daraufhin richteten sich alle Spins – also die quantenmechanischen Eigendrehimpulse bzw. magnetischen Momente der Atome –  derart aus, dass sie wie kleine Kompassnadeln in die gleiche Richtung zeigten. Anschließend schalteten die Forscher ein magnetisches Wechselfeld hinzu. Nun ordneten sich die Spins in einem dreidimensionalen Korkenziehermuster an. Die Wissenschaftler maßen die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Atomen, indem sie dieses Korkenziehermuster wieder entzwirbelten. Dabei konnten sie zunächst keine Interaktionen feststellen. Dann änderte sich auf einmal das Verhalten der Atome: Ihre Wechselwirkungen untereinander stiegen sprunghaft an.

„Das Pauli-Prinzip verbietet identischen ultrakalten Atomen eigentlich, miteinander in Beziehung zu treten, daher wussten wir, dass etwas die Spins auf mikroskopischer Ebene durcheinandergebracht haben musste“, sagt Koautor Joseph Thywissen von der University of Toronto. Die Ursache für den abrupten Wechsel fanden die Forscher im Phänomen der Diffusion – hierbei durchmischen sich verschiedene Partikel, indem sie sich gleichmäßig verteilen. „Je mehr Partikel unterwegs zusammenstoßen, desto länger dauert ihre Diffusion“, erklärt Thywissen.

Das Team steigerte die beobachtete Wechselwirkung auf einen maximal möglichen Wert, um zu sehen, wie langsam die ultrakalten Atome diffundieren können. Zusätzlich senkten sie die Temperatur auf weniger als ein millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Die Diffusionsgeschwindigkeit ging jedoch nicht auf Null zurück; vielmehr konnten die Forscher eine Untergrenze für diese Größe ermitteln. „Atome mit stark wechselwirkenden Spins diffundieren oberhalb eines Quantentempolimits“, fasst Thywissen die neuen Erkenntnisse zusammen. „Diese Schranke weist auf ein universelles Prinzip für den Spintransport hin, das darauf wartet, entdeckt zu werden.“