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40 Jahre nach der Vorhersage: Energieleiter an Quanten-Kipppunkten vermessen
Eine Leiter aus Energie: Seit den 1980er Jahren sagen physikalische Theorien bestimmte Abstände zwischen den angeregten Zuständen an Quantenphasenübergängen voraus. Jetzt haben Forscher diese Muster in lasergefangenen Strontiumatomen erstmals direkt vermessen. Das Experiment stützt Vorhersagen für zwei verschiedene kritische Zustände und eröffnet neue Wege, komplexe Quantenmaterie zu untersuchen.
Pasadena (U.S.A.). Ob ein Magnet seine Ordnung verliert oder ein anderes Material seinen Zustand wechselt: Nahe einem Phasenübergang können scheinbar sehr unterschiedliche Systeme ähnlichen mathematischen Regeln folgen. Welche Details auf der Ebene einzelner Teilchen wirken, ist für dieses gemeinsame Verhalten dann oft weniger wichtig als die grundlegenden Eigenschaften des Übergangs.
Physiker sprechen dabei von Universalität. Bei Quantenphasenübergängen, die durch Quanteneffekte statt durch Erwärmung angetrieben werden, beschreiben sogenannte konforme Feldtheorien diese Regeln. Bereits in den 1980er Jahren sagte der Physiker John Cardy voraus, dass sich die niedrigen Anregungsenergien eines solchen Systems in charakteristischen Verhältnissen ordnen müssten. Die direkte Messung dieser Energieleiter war bisher ausgeblieben.
Forscher des California Institute of Technology (Caltech) um Prof. Manuel Endres haben diese Vorhersagen nun an einem kontrollierbaren Quantensimulator überprüft. Sie untersuchten sowohl einen gewöhnlichen Ising-Kipppunkt als auch einen komplexeren, trikritischen Ising-Punkt. Beide markieren den Übergang zwischen unterschiedlich geordneten Quantenzuständen, folgen aber verschiedenen universellen Mustern.
„Physiker nennen diese Eigenschaft Universalität: Die unübersichtlichen mikroskopischen Details treten zurück, und nur wenige wesentliche Merkmale bleiben erhalten“, erklärt Prof. Jason Alicea vom Caltech.
Als Testsystem verwendete das Team Strontiumatome, die einzeln in fokussierten Laserstrahlen, sogenannten optischen Pinzetten, festgehalten wurden. Die für Quantensimulatoren mit kontrollierbaren Atomen entwickelte Technik erlaubte es, die Teilchen in einer Kette anzuordnen und gezielt anzuregen.
Ein weiterer Laser brachte die Atome in hochenergetische Rydberg-Zustände. Dadurch wechselwirkten benachbarte Teilchen besonders stark miteinander. Indem die Physiker die Lasereinstellungen variierten, näherten sie das gesamte System den untersuchten Quantenphasenübergängen an. Anschließend veränderten sie die Laserfrequenz und beobachteten, wie kräftig die Atomkette jeweils reagierte.
Trifft die Anregung eine passende Frequenz, antwortet das Quantensystem besonders deutlich. Ähnlich wie ein Weinglas beim richtigen Ton in Resonanz gerät, wird dadurch ein bestimmter kollektiver Energiezustand sichtbar. Dieses Verfahren nennen die Forscher Vielteilchen-Modulationsspektroskopie.
An einer Kette aus 19 Atomen registrierte das Team am Ising-Kipppunkt vier ausgeprägte Resonanzen. Die zugehörigen Energien entsprachen näherungsweise dem von der konformen Feldtheorie erwarteten Verhältnis 2:4:6:8. Bei längeren Ketten bis zu 35 Atomen verschoben sich die Werte mit der Systemgröße ebenfalls so, wie es die Theorie vorhersagt.
Dabei ist die Größe der Atomkette entscheidend. Erst nach einer entsprechenden Skalierung lagen die Messungen der ausreichend langen Ketten auf einem gemeinsamen Verlauf. Für besonders kurze Ketten ließ sich das ideale Muster dagegen nicht vollständig reproduzieren. Der Befund ist somit ein Test universeller Eigenschaften unter genau kontrollierten Bedingungen, kein Nachweis, dass jedes Quantensystem dieselbe Energieleiter besitzt.