15.04.2013

Universität des Saarlandes

Geordnetes Chaos bei Atomen

Ob Schneeflocken an der Fensterscheibe, unser Erbgut in den Zellen oder Galaxiehaufen im Weltraum – alle natürlichen Systeme und Prozesse streben nach einer Ordnung, denn ohne diese Selbstorganisation wäre etwa das Leben auf der Erde nicht möglich. Doch was passiert, wenn man diese Ordnung in einen ungeordneten Zustand überführt? Mit dieser Frage hat sich das Team um Professorin Giovanna Morigi und Professor Heiko Rieger von der Theoretischen Physik der Saar-Uni zusammen mit Forschern der Universitat Autonoma in Barcelona beschäftigt. Die Physiker haben untersucht, wie sich Atome verhalten, wenn sie von einem geordneten Zustand in einen ungeordneten überführt werden.

In einem Kristall sind Atome in einem Gitter gleichförmig angeordnet. Trifft nun in einem Experiment zum Beispiel Röntgenstrahlung auf den Kristall, passiert Folgendes: Ein Teil der Röntgenstrahlen kann die Kristallstruktur ungehindert passieren. Der andere Teil trifft auf die Atome, die wiederum selber Strahlen abgeben. Diese Lichtwellen überlagern sich und es kommt zur sogenannten Interferenz, das heißt, die Amplituden der Wellen werden entweder verstärkt oder abgeschwächt. In der Folge verlassen die Strahlen den Kristall in einem anderen Winkel als das eingestrahlte Licht. Auf einer Röntgenaufnahme würde dies in einem charakteristischen „Strahlen-Muster“ deutlich. Dieses Phänomen, die Bragg-Streuung, ist schon lange bekannt und wird genutzt, um Kristallstrukturen zu analysieren.

Auch die Physiker der Saar-Uni nutzen dieses Naturgesetz für ihre theoretische Studie, in der sie die Selbstorganisation von Atomen untersucht haben. Sie wollten wissen, wie man einen geordneten Zustand in einen ungeordneten, aber organisierten Zustand bringen kann. Für ihr Experiment haben sie Atome betrachtet, die ähnlich wie in einem Kristallgitter, in einer Art Käfig angeordnet sind. „Das muss man sich so vorstellen, dass die einzelnen Atome ähnlich wie Eier in einem Eierkarton liegen“, erklärt Giovanna Morigi, Professorin für Theoretische Physik. „Der Abstand zwischen den Atomen ist hierbei größer als in einem Gitter.“ Im Versuch werden die Atome nun mit einer Lichtquelle bestrahlt. Sobald ein Lichtstrahl auf ein Atom trifft, emittiert dieses ein Lichtteilchen (ein Photon). Bis hierher würde alles nach den normalen Gesetzen der klassischen Optik verlaufen. In diesem Versuchsaufbau werden die Lichtteilchen, die aus dem Käfig herauskommen, allerdings durch zwei Spiegel reflektiert. Auf diese Weise werden die Atome immer wieder von Lichtteilchen getroffen. Es kommt also zu einer positiven Rückkopplung und immer mehr Photonen werden von den Atomen freigesetzt. Dies führt schließlich dazu, dass die Atome ihre Position im Käfig verändern. „Diese Rückkopplungsschleife kann so zu interessanten Phänomenen der Selbstorganisation führen“, kommentiert Physik-Professor Heiko Rieger die Ergebnisse. „Unsere Studie ist ein Beispiel für die Selbstorganisation von Quantensystemen, die stabil gegenüber Störungen und Verlusten sind.“ Das Verständnis solcher stabilen Quantensysteme, das sie Physiker der Saar-Uni mit ihren Modellen zu erlangen suchen, ist die Grundlage zur Realisierung von Quantentechnologien, für die eine Robustheit gegenüber störenden Einflüssen der Umgebung eine unabdingbare Voraussetzung sind. Solche Technologien umfassen nicht zuletzt Quantencomputer.

Die Ergebnisse der Studie wurden im renommierten Journal American Physical Review Letters veröffentlicht: DOI 10.1103/PhysRevLett.110.075304

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