Auf die Atome! Ein erwärmtes Quantensystem kann als Indikator für exotische Aggregatzustände dienen

Von Pythagoras'' Überlegungen zu harmonischen Schwingungen bis hin zur Bestimmung der Balmer-Serie in der Atomphysik ist die Quantelung physikalischer Observablen von besonderer Bedeutung, um die Welt verstehen und wertschätzen zu können.

Auf Grundlage EU-unterstützter Forschungen wurde eine neue Art von Quantelung vorhergesagt, die sich auf die Erwärmungsrate eines Quantensystems bei externen Erschütterungen bezieht. Die in der Fachzeitschrift „ScienceAdvances“ veröffentlichte wissenschaftliche Arbeit mit dem Titel „Probing topology by ‚heating‘: Quantized circular dichroism in ultracold atoms“ beschreibt, was die Autoren als „faszinierende Manifestation von Topologie“ bezeichnen.

Um ihre Arbeit verständlich zu beschreiben, führen die Forscher folgende Analogie an: Wenn ein Eiswürfel in einem Mikrowellenherd bestrahlt wird, werden die Wassermoleküle angeregt. Dies führt dazu, dass das Eis nach und nach schmilzt und seinen Aggregatzustand von fest zu flüssig ändert. Während der Erwärmung sinkt mit der Zeit die Anzahl der Moleküle, die das Eis bilden. Dieser Vorgang lässt sich mit der Erwärmungsrate quantifizieren. Die in dem Paper beschriebene Forschungsarbeit zeigt, dass sich solche Erwärmungsraten – unter speziellen Umständen – exakt nach einem bestimmten Quantelungsgesetz richten.

Wenn ein physikalisches System kontrolliert erwärmt wird, werden Teilchen aus der topologischen Phase geschleudert (genau wie bei der oben beschriebenen Analogie mit dem schmelzenden Eis), und die entsprechende Erwärmungsrate entspricht nachweislich einem neuen Quantelungsgesetz. Ein zentraler Aspekt dieses neuen Quantelungsgesetzes besteht darin, dass es von den topologischen Eigenschaften der ursprünglichen Phase des Systems bestimmt wird.

Topologische Eigenschaften sind in verschiedensten Zusammenhängen von Bedeutung, weshalb sie in zahlreichen Bereichen untersucht werden, etwa im Kontext ultrakalter Atomgase und der Photonik bis hin zu mechanischen Systemen. Diese sich ergänzenden und vielseitigen Gebiete eröffnen die Möglichkeit, faszinierende topologische Eigenschaften zu entdecken, die etwa bei der künstlichen Dissipation und anderen kontrollierbaren Interaktionen sichtbar werden. So wurden beispielsweise ultrakalte Gase untersucht, indem die transversale Verschiebung einer Atomwolke in Reaktion auf eine aufgewandte Kraft untersucht wurde.

Die im TOPOCOLD-Projekt unter Schirmherrschaft des EU-finanzierten Projekts UQUAM gesammelten Erkenntnisse flossen in die im Paper beschriebenen Ergebnisse ein. Vor allem wurde festgestellt, dass die Abbaurate gefüllter Blochbänder nach einem Quantelungsgesetz ablaufen kann, das von der Topologie abhängig ist.

Die Projektforscher sind der Ansicht, dass die Messung der Abbaurate aufgrund der Quantelung einen aussagekräftigen und universell anwendbaren Indikator für die topologische Ordnung von Quantenmaterie darstellt. Ihre Ergebnisse weisen darauf hin, dass es erforderlich sein könnte, die Reaktion größerer Massen von abträglichen Effekten zu isolieren, die sich aus dem Kantenmodus ergeben – hier kommen Versuchsumgebungen mit ultrakalten Atomen ins Spiel. Die Autoren schlagen den Einsatz einer physikalischen Plattform vor, die in einem ultrakalten Gas von Atomen besteht, welche in einem optischen Gitter gefangen sind (einer mit Licht erzeugten periodischen Umgebung). Solche Versuchsumgebungen bieten bekanntermaßen ideale Voraussetzungen für das Quanten-Engineering an topologischer Materie und für die Anwendung neuer Messarten.

Die Unterstützung von TOPOCOLD (Manipulation of topological phases with cold atoms) soll dazu beitragen, auf Basis der Technologien, die derzeit mithilfe von Experimenten mit kalten Atomen entwickelt werden, realistische Versuchsumgebungen mit optischen Gittern zu finden, in denen neuartige topologisch geordnete Phasen vorhanden sind. Das Projekt UQUAM (Ultracold Quantum Matter) versammelt Forscher mit anerkanntem und ergänzendem Fachwissen in den Bereichen der Quantenoptik, Atomphysik und Physik der kondensierten Materie sowie der Informatik. Ihr Ziel besteht darin, das interdisziplinäre Feld der Quantentechnologien weiterzuführen, indem sie sich mit den jüngsten und spektakulärsten Fortschritten hinsichtlich der Manipulierbarkeit ultrakalter Atom- und Molekülsysteme befassen.

Weitere Informationen:
CORDIS-Projektseite von TOPOCOLD
CORDIS-Projektseite von UQUAM
UQUAM-Projektwebsite