Zwei, sechs, viele: Physiker beobachten das Entstehen von kollektivem Verhalten

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Phasenübergänge beschreiben dramatische Veränderungen der Eigenschaften eines makroskopischen Systems – wie der Übergang von einer Flüssigkeit zu einem Gas. Ausgehend von einzelnen ultrakalten Atomen konnten die Physiker der Universität Heidelberg das Entstehen eines solchen Übergangs mit zunehmender Teilchenzahl beobachten.

Die Forschungsarbeiten wurden im Bereich der Quantenphysik unter der Leitung von Prof.

Dr. Selim Jochim vom Institut für Physik durchgeführt.
Um in der Physik wirksame Theorien zu formulieren, werden mikroskopische Details zugunsten von makroskopisch beobachtbaren Größen zurückgestellt.

Ein Becher Wasser lässt sich durch Eigenschaften wie Druck, Temperatur und Dichte der Flüssigkeit beschreiben, während die Position und Geschwindigkeit der einzelnen Wassermoleküle irrelevant sind.

Ein Phasenübergang beschreibt den Wechsel eines makroskopischen Systems von einem Aggregatzustand, wie flüssig, in einen anderen Aggregatzustand, wie gasförmig.

Die Eigenschaften makroskopischer Systeme – sogenannter Vielteilchensysteme – können als emergent beschrieben werden, weil sie aus dem Zusammenspiel einzelner Komponenten resultieren, die selbst diese Eigenschaften nicht besitzen.
“Mich hat schon lange interessiert, wie diese dramatische makroskopische Veränderung bei einem Phasenübergang aus der mikroskopischen Beschreibung hervorgeht”, sagt Selim Jochim.

Um diese Frage zu beantworten, konzipierten die Forscher ein Experiment, in dem sie ein System aus einzelnen ultrakalten Atomen zusammensetzten. Mit diesem Quantensimulator untersuchten sie, wie kollektives Verhalten in einem mikroskopischen System entsteht.

Zu diesem Zweck fingen sie bis zu zwölf Atome in einem eng fokussierten Laserstrahl ein.

In diesem künstlichen System ist es möglich, die Wechselwirkungsstärke zwischen den Atomen stufenlos von nicht wechselwirkend bis zur größten Energieskala im System einzustellen. “Einerseits ist die Anzahl der Teilchen im System klein genug, um das System mikroskopisch zu beschreiben. Andererseits zeigen sich bereits kollektive Effekte”, erklärt Luca Bayha, Postdoc im Team von Prof. Jochim.

In ihrem Experiment haben die Heidelberger Physiker den Quantensimulator so konfiguriert, dass sich die Atome gegenseitig anziehen und, wenn die Anziehung stark genug ist, Paare bilden.

Diese Atompaare sind die notwendige Zutat für einen Phasenübergang zum Superfluid – einem Zustand, in dem die Teilchen ohne Reibung fließen.

In den aktuellen Experimenten wurde untersucht, wann die Paarbildung in Abhängigkeit von der Wechselwirkungsstärke und der Teilchenzahl auftritt. “Das überraschende Ergebnis unseres Experiments ist, dass nur sechs Atome alle Signaturen eines Phasenübergangs zeigen, die man für ein Vielteilchensystem erwartet”, ergänzt Marvin Holten, Doktorand in der Gruppe von Prof. Jochim.
Bei ihrer Arbeit haben die Forscher vom Rahmen des Exzellenzclusters “STRUCTURES – A Unifying Approach to Emergent Phenomena in the Physical World, Mathematics, and Complex Data” und dem Sonderforschungsbereich “Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen (ISOQUANT)” der Universität Heidelberg profitiert.

Entscheidend für den Erfolg der Experimente war eine Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten in Lund (Schweden) und Aarhus (Dänemark).

Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.
Referenz: “Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell” von Luca Bayha, Marvin Holten, Ralf Klemt, Keerthan Subramanian, Johannes Bjerlin, Stephanie M. Reimann, Georg M.

Bruun, Philipp M. Preiss und Selim Jochim, 25. November 2020, Nature.DOI: 10.1038/s41586-020-2936-y

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