27.04.2015

Ludwig-Maximilians-Universität München

Die gesellige Welt der Quantenteilchen

Im Labor lässt sich das Zusammenspiel von Quantenteilchen oft nur sehr schwer untersuchen. Aber mit Hilfe mathematischer Methoden konnten LMU-Physiker jetzt aufdecken, warum sich bestimmte Quantenteilchen, die Bosonen, so gern in verschiedenen Gruppen zusammenfinden.

Beim Erforschen des Verhaltens von Quantenteilchen erreichen Wissenschaftler schnell die Grenzen der experimentellen Physik. Ab hier geht es mit den Ideen und Analysen theoretischer Physiker weiter. Professor Erwin Frey, Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik und Mitglied des Exzellenzclusters NIM (Nanosystems Initiative Munich), hat mit seinem Team auf diesem Weg das Verhalten von Bosonen untersucht. Dabei handelt es sich um eine Art von Quantenteilchen, die sich gerne zu Gruppen zusammentun. Mit Hilfe der sogenannten Spieltheorie konnten die Physiker jetzt erklären, wie es zu dieser Gruppenbildung kommt.

Gesellige Bosonen
Die Welt der Quantenteilchen lässt sich in zwei Arten einteilen, Fermionen und Bosonen. Ausschlaggebend ist der jeweilige Eigendrehimpuls oder Spin. Bei Fermionen ist er halbzahlig und die bekanntesten Vertreter sind die Elektronen. Bosonen haben immer einen ganzzahligen Spin. Zu ihnen gehören unter anderem die Photonen, aber auch ganze Atome. Bosonen sind gesellige Teilchen und schwingen gern im gleichen Takt – sie befinden sich im gleichen Quantenzustand wie der Physiker sagt. Dies führt soweit, dass sich viele Bosonen durch Abkühlen auf den absoluten Nullpunkt bei -273,15°C wie ein einziges „Superteilchen“ verhalten. Der Grund dafür ist, dass sich bei dieser Temperatur alle Bosonen im niedrigst möglichen Energiezustand befinden und sich dadurch komplett gleich verhalten.

Man spricht bei diesem Superteilchen vom sogenannten Bose-Einstein Kondensat, das 1924 von Bose und Einstein theoretisch vorhergesagt wurde. Der Begriff Kondensat bezeichnet dabei eine Gruppe von Teilchen mit gleichen Eigenschaften. In den 1990er Jahren gelang es Wissenschaftlern erstmals, diese Theorie mit sogenannten ultrakalten Atomen experimentell zu bestätigen.

Cliquenbildung
Vor kurzem haben Wissenschaftler die Theorie aufgestellt, dass sich Bosonen nicht nur in einem einzigen, sondern auch in mehreren Kondensaten zusammenfinden können. Dazu müssen sich die Bosonen in einem offenen System befinden, in dem ihnen von außen zum Beispiel durch einen Laser Energie zugeführt wird, und jedes Teilchen außerdem die Möglichkeit hat, seine Energie an die Umgebung abzugeben. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications erklären Erwin Frey und sein Team jetzt, warum sich Bosonen in diesen Nichtgleichgewichtssystemen in mehrere „Quasi-Energiezustände“ gruppieren.

Nach den Regeln der Spieltheorie
Die Münchner Physiker greifen dafür auf eines ihrer Spezialgebiete zurück, die Spieltheorie. Mit dieser mathematischen Theorie untersuchen Wissenschaftler vieler Disziplinen die Wechselwirkung zwischen einzelnen Individuen. Dazu gehören so unterschiedliche Beziehungen und Verhaltensweisen wie die vom Raubtier und seiner Beute oder welche Strategien sich beim Kinderspiel „Schere-Stein-Papier“ durchsetzen, das in der Spieltheorie oft als Standardbeispiel gewählt wird. Aber auch typische gruppendynamische Prozesse wie Entscheidungsfindungen oder Meinungsbildung lassen sich durch die Spieltheorie beschreiben. Und nicht zuletzt zeigen jetzt Erwin Frey und seine Gruppe, dass auch das Verhalten von Quantenteilchen mit Hilfe der Spieltheorie beschrieben werden kann und einem übergeordneten physikalischen Prinzip folgt.

Mit der Zeit kehrt Ordnung ein
„Hinter unseren komplexen theoretischen Berechnungen versteckt sich ein anschauliches Prinzip“, erklärt Johannes Knebel, Doktorand am Lehrstuhl Frey. „Zunächst schwingen alle Bosonen nach ihrem eigenen Schema. Durch das Zusammenspiel von Zu- und Abgabe von Energie finden sich die Bosonen zu mehreren Gruppen zusammen, so wie sich bei einem Spiel mit vielen Strategien am Ende nur die erfolgreichen durchsetzen oder wie sich in einer Diskussion mit zunächst unzähligen Standpunkten einzelne Meinungsbilder herauskristallisieren.“ Mit der Zeit kehrt also eine gewisse Ordnung ein. Die Münchner Physiker sprechen hier von der Abnahme einer relativen Entropie, die das kollektive Verhalten der Bosonen steuert.

Von der Theorie zur Praxis
Den Forschern geht es vor allem darum, immer besser zu verstehen, wie Quantenphysik funktioniert. „Eine konkrete Anwendung lässt sich aus unserer Forschung noch nicht ableiten“, betont Professor Frey. „Aber typisch für Grundlagenforschung ist ja auch, dass sie oft ganz unerwartete Ergebnisse und Ideen für neue Entwicklungen liefert. So hat beispielsweise das Verständnis darüber, wie sich Bosonen kollektiv verhalten, in der Vergangenheit bereits dazu geführt, Phänomene wie Suprafluidität zu verstehen und Technologien wie Supraleiter zu entwickeln.“

Es ist daher spannend, ob die Vorhersagen der Theoretiker zu Bosonen im Nichtgleichgewicht von den Praktikern bestätigt oder widerlegt werden können. Experimente mit ultrakalten Atomen, wie sie in der Münchner Gruppe des NIM-Wissenschaftlers Prof. Immanuel Bloch (LMU München und Max-Planck-Institut für Quantenoptik) durchgeführt werden, könnten vielversprechende Kandidaten zum Test der Theorie darstellen.

Literatur
Evolutionary games of condensates in coupled birth-death processes. Johannes Knebel, Markus F. Weber, Torben Krüger, Erwin Frey. Nature Communications 6, Article number 6977, 24. April 2015 (doi: 10.1038/ncomms7977)

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