Quantensysteme wechseln von selbst in klassischen Zustand

In Quantensystemen haben Teilchen Eigenschaften, die bei klassischen Objekten in der alltäglichen Welt nicht vorkommen. Man kann zum Beispiel eine Wolke von Atomen so präparieren, dass jedes Atom sich gleichzeitig an verschiedenen Orten befindet. Sobald man den Ort der Atome aber misst, wird diese Überlagerung zerstört. Experimente mit ultrakalten Atomwolken zeigen nun, dass dieser Übergang vom Quantenverhalten ins gewohnte klassische Verhalten nicht nur durch äußere Eingriffe passiert, sondern dass Quantenobjekte von selbst von dem einen in den anderen Zustand übergehen. Die Ergebnisse der Forscher erschienen in der Zeitschrift „Nature Physics“.

Mehrere Reihen von dichtgepackten grauen und roten Kugeln. Die vorderste Reihe besteht nur aus grauen Kugel, in den hinteren Reihen nimmt die Anzahl an roten Kugeln entlang des Zeitpfeils mehr und mehr zu.
Prinzip des Experiments mit ultrakalten Atomen

Die Arbeitsgruppe um Tim Langen von der Technischen Universität Wien untersuchte Wolken von einigen tausend Rubidiumatomen. „Diese Wolken sind noch klein genug, um sie gut von der Umwelt abschirmen zu können“, erklärt Langen. „Sie sind aber groß genug, um an ihnen zu studieren wie Quanteneigenschaften verloren gehen". Im Experiment werden die Atomwolken aufgeteilt und in einer magnetischen Falle festgehalten. Nach einer gewissen Zeit werden die beiden Hälften aus der Falle „befreit“, die ultrakalten Gase breiten sich aus und werden über entstehende Interferenzmuster miteinander verglichen. So lässt sich messen, wie eng verschiedene Punkte der Atomwolke noch quantenmechanisch miteinander verbunden sind. Ursprünglich ist diese Verbindung perfekt, alle Atome befinden sich in einem streng geordneten Quantenzustand. Doch weil es sich insgesamt um ein großes Objekt aus vielen Atomen handelt, bleibt diese Ordnung nicht lange erhalten.

Da die Atome miteinander wechselwirken, beginnt sich mit einer gewissen Geschwindigkeit Unordnung auszubreiten. Dort, wo bereits Unordnung herrscht, verlieren die Atome ihre Quanteneigenschaften. Man kann ihnen dann, wie bei einem klassischen Gas, eine Temperatur zuordnen. „Wie schnell sich dabei die Unordnung ausbreitet, hängt von der Anzahl der Atome ab“, sagt Langen. Je größer die Zahl der Atome ist, desto schneller sollte der ungeordnete Zustand eintreten. Dabei gibt es zu jedem Zeitpunkt eine klare Grenze zwischen dem Bereich, der bereits durch eine klassische Temperatur beschrieben werden kann, und dem Bereich, in dem die Quanteneigenschaften noch unverändert sind. Nach einer bestimmten Zeitspanne hat die Unordnung die gesamte Atomwolke erfasst.

Bisher konnte ein solches Verhalten nur in der Theorie vermutet werden, kommentieren die Forscher. Die entscheidende Beobachtung im Experiment ist, dass der Vorgang ohne Kontakt zur Außenwelt allein durch Quanteneffekte passiert. Langen und seine Kollegen erhoffen sich dadurch weitere Fortschritte in der Frage, wann und wie isolierte Quantensysteme zu ungeordneten Zuständen wechseln.