Oszillierende Quantenteilchen entdeckt

Oszillationsbewegung eines Quantenteilchens durch ein eindimensionales Gas

In der Quantenwelt bewegen sich Objekte oft ganz anders, als es die Alltagserfahrungen vermuten lässt. Ein internationales Physiker-Team hat ein Quantenteilchen beobachtet, das sich nicht gleichmäßig durch ein eindimensionales Gas bewegt, sondern in einer Oszillationsbewegung.

Die Newtonschen Gesetze besagen, dass ein sich bewegendes Objekt sich so lange gerade weiterbewegt, bis eine äußere Kraft seine Bahn verändert. Die Bedeutung dieser Bewegungsgesetze ist allgegenwärtig. Doch in der Quantenwelt stößt das Alltagsverständnis von Bewegung an Grenzen und manchmal scheitert es sogar.

Ein internationales Team von Physikern aus Innsbruck, München, Paris und Cambridge (USA) hat ein Quantenteilchen beobachtet, das ein völlig unerwartetes Verhalten zeigt. In einem sogenannten Quantengas bewegt sich das Teilchen indem hin und her schwingt. Grundlage der überraschenden Beobachtung ist die sogenannte Quanteninterferenz. Nach dieser Gesetzmäßigkeit der Quantenmechanik verhalten sich Teilchen wie Wellen, die sich aufsummieren oder auslöschen können.

Fast am absoluten Nullpunkt

Um das Teilchen oszillieren zu sehen, kühlte das Forscherteam ein Gas aus Cäsiumatomen fast bis auf den absoluten Nullpunkt ab und sperrte es in sehr dünne „Röhrchen“, die mit Laserstrahlen erzeugt wurden. Damit brachten sie die Atome zu starken Wechselwirkungen.

Unter diesen extremen Bedingungen bilden die Teilchen eine Art Quantenflüssigkeit, deren Bewegung nur entlang der Röhrchen möglich ist. Das Team beschleunigte dann ein weiteres Atom in einem anderen Spinzustand durch dieses Gas.

Die Wissenschaftler beobachteten, dass die Quantenwelle des Atoms von den anderen Atomen gestreut und wieder zurückreflektiert wurde. Ergebnis ist eine verblüffende Oszillationsbewegung. Das Experiment zeigt, dass Newtons Gesetze in der Quantenwelt nicht uneingeschränkt gelten.

Transportprozesse besser zu verstehen

Dass Quantenwellen in bestimmte Richtungen reflektiert werden können, ist nicht neu. So ist bspw. bekannt, dass Elektronen im Kristallgitter eines Festkörpers reflektiert werden – die sog. Bragg-Streuung.

Im vorliegenden Experiment war allerdings kein Kristall vorhanden. Es war vielmehr das atomare Gas selbst, das eine Art versteckte Ordnung darstellte. Die Physik bezeichnet das als Korrelation.

Die nun veröffentlichte Arbeit zeigt, wie diese Korrelationen in Verbindung mit der Wellennatur von Materie die Bewegung von Teilchen in der Quantenwelt bestimmen und zu neuen Phänomenen führen, die auf den ersten Blick unserer Intuition widersprechen.

Die Ergebnisse könnten helfen, grundlegende Mechanismen in elektronischen Bauteilen oder sogar Transportprozesse in komplexen biologischen Systemen besser zu verstehen und damit technisch nutzbar zu machen.

Bild: Überraschende Oszillationsbewegung eines Quantenteilchens durch ein eindimensionales Gas. (Florian Meinert / Univ. Innsbruck)