Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München, des California Institute of Technology (Caltech) und der Université Paris-Saclay ist ein bedeutender Durchbruch in der Quantenphysik gelungen. Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“ berichten, konnten sie erstmals die theoretisch vorhergesagten Energiestufen in synthetischer Quantenmaterie experimentell nachweisen. Mithilfe eines Quantensimulators aus per Laser festgehaltenen Strontium-Atomen maßen die Forscher fundamentale Muster, die durch sogenannte konforme Feldtheorien beschrieben werden. Diese mathematischen Modelle beschreiben universelles Verhalten von Materie an kritischen Kipppunkten nahe dem absoluten Nullpunkt.
- Physiker maßen erstmals die von der konformen Feldtheorie vorhergesagten Energieabstände in Quantenmaterie.
- Die Experimente nutzten eine Kette von bis zu 35 Strontium-Atomen in optischen Pinzetten.
- Eine neu entwickelte Spektroskopiemethode ermöglichte das gezielte Auslesen des Energiespektrums.
Präzise Messungen an gezähmten Atomketten
Um das Phänomen der Universalität zu untersuchen, nutzten die Forscher optische Pinzetten, mit denen sie Strontium-Atome in einer eindimensionalen Kette anordneten. Durch den gezielten Einsatz weiterer Laser wurden die Atome in hochangeregte Rydberg-Zustände versetzt, was zu einer starken Wechselwirkung zwischen benachbarten Teilchen führte. Dadurch verhielt sich die gesamte Atomkette wie ein einziges Quantensystem anstelle einzelner unabhängiger Partikel.
Zur Auswertung der Energieniveaus entwickelte das Team eine Methode namens Vielteilchen-Modulationsspektroskopie. Dabei wurden die Laser leicht moduliert, um das Gesamtsystem in Schwingung zu versetzen. Durch das Abfahren verschiedener Frequenzen ließen sich die resonant angeregten Zustände exakt kartieren – vergleichbar mit dem Ton, der entsteht, wenn man mit einem feuchten Finger über den Rand eines Glasrandes streicht. In Experimenten mit Ketten von bis zu 35 Atomen stimmten die gemessenen Abstände exakt mit den theoretischen Werten des Ising-Modells überein.
Ein jahrzehntealtes Rätsel findet seine Bestätigung
Die konforme Feldtheorie gilt als ein zentrales Fundament der theoretischen Physik. Sie beschreibt Übergänge, die nicht durch Temperaturunterschiede, sondern rein durch Quanteneffekte getrieben werden. Das zugrundeliegende mathematische Modell geht auf den Physiker Ernst Ising zurück, der bereits in den 1920er-Jahren frühe Magnetismusmodelle erforschte.
Obwohl Physiker die Abstände dieser Energienstufen seit vier Jahrzehnten theoretisch berechnen konnten, fehlte bislang ein direkter experimenteller Nachweis in synthetischer Materie.
Die Messungen belegen nun empirisch, dass mikroskopische Details einzelner Materialien bei solchen Quantenübergängen in den Hintergrund treten und universellen mathematischen Regeln weichen. Dass sich die theoretischen Vorhersagen in einem realen, steuerbaren Quantensystem exakt reproduzieren lassen, validiert die theoretischen Grundlagen der modernen Festkörperphysik.
Der Schritt in unerforschte zweidimensionale Systeme
Nach dem Erfolg bei eindimensionalen Atomketten plant die Forschungsgruppe bereits die nächsten Schritte. Künftig soll die Methode auf zweidimensionale Gitterstrukturen erweitert werden, in denen wesentlich komplexere Quantenzustände auftreten.
In zwei Dimensionen sind die theoretischen Vorhersagen konformer Feldtheorien bislang unvollständig. Der Einsatz von Quantensimulatoren ermöglicht es hierbei, in Bereiche vorzudringen, die sich selbst mit leistungsfähigen klassischen Supercomputern nicht mehr quantitativ berechnen lassen.
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