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Klassische Quantenübergänge kohärent beschreiben

Der Übergang zwischen klassischem und quantentypischem Verhalten ist wenig erforscht und seine Untersuchung ein schwieriges experimentelles Unterfangen. Wissenschaftler entwickelten nun ein durchdachtes System, um endlich einige der wichtigsten offenen Fragen der modernen Physik zu beantworten.
Klassische Quantenübergänge kohärent beschreiben
Die klassische Physik beschreibt die Bewegungen der Teilchen und Körper nach hundertprozentig deterministischen Gesetzen. Anhand der Einzelheiten über die Positionen und Geschwindigkeiten eines Systems kann ein Wissenschaftler die Flugbahn all seiner Teilchen einschließlich aller vergangenen und zukünftigen Positionen und Geschwindigkeiten berechnen. Die mit gequantelten Einheiten hantierende Quantenphysik beschreibt die Bewegung sowohl in Bezug auf Teilchen als auch auf Wellentheorien, woraus sich eher Wahrscheinlichkeiten anstelle von Gewissheiten über den Zustand eines Systems aus Teilchen ableiten lassen.

Der Übergang vom Quantenverhalten zum klassischen Verhalten bezieht sich grundsätzlich auf das Koppeln des Quantensystems mit der Umgebung, wie es zum Beispiel bei der Durchführung einer Messung geschieht. Es ist unmöglich, ein beobachtetes Objekt von dem beobachtenden Instrument zu trennen - die zu messende Eigenschaft ist von der Messung selbst abhängig. Eine derartige Wechselwirkung kann über einen Austausch von Energie oder Teilchen zu Energieverlusten und Dekohärenz, d. h. spontanen Interaktionen zwischen System und Umwelt führen, die eine Unterdrückung der Interferenz verursachen. Ein vollständiges Verständnis des Übergangsprozesses bleibt jedoch eine der wichtigsten offenen Fragen der modernen Physik.

Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts "Dissipation in quantum gases" (DIBEC) wollten dieses Phänomen auf kontrollierte Art und Weise mit Hilfe eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) untersuchen. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein einzigartiger Zustand der Materie, in dem einzelne Atome oder subatomare Teilchen, nah an den absoluten Nullpunkt gekühlt, zu einer einzigen quantenmechanischen Einheit verschmelzen, wobei Quanteneffekte im makroskopischen Maßstab zu beobachten sind, d. h. es ein makroskopisches Quantenobjekt darstellt. Fokussiert man einen Elektronenstrahl auf ein gefangenes Bose-Einstein-Kondensat, werden die Atome angeregt, was Dekohärenz und das Entweichen der bei der Elektronenstoßionisierung erzeugten Ionen verursacht. Eine Messung der Anzahl vom Bose-Einstein-Kondensat pro pro Zeiteinheit ausgesandten Elektronen (Strom) liefert einen Indikator für das dissipative Potenzial. Auf diese Weise versetzt das System die Forscher in die Lage, Veränderungen in den Quanteneigenschaften des Bose-Einstein-Kondensats im Zusammenhang mit der sich verändernden Stärke der Dissipation zu untersuchen.

Zahlreiche vorwärtsweisende und bahnbrechende Experimente wurden durchgeführt, welche die Fähigkeit des technischen Systems zur Arbeit an den grundlegenden Fragen der Quantenmechanik beweist.

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