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Quantenmechanik

Chaos auch in der Quantenmechanik

Chaosphänomene, wie sie aus der klassischen Physik im Zusammenhang mit Wetterphänomenen bekannt sind, treten auch in quantenmechanischen Vielteilchensystemen auf. Diese bereits 2005 von Boris Fine, jetzt an der Universität Heidelberg, aufgestellte Vermutung ist nun von amerikanischen Forschern experimentell bestätigt worden.

Steven Morgan und Brian Saam von der University of Utah verwendeten in ihrem Experiment vier Xenongas-Proben, die sie einem starken Magnetfeld und einem Laser aussetzten. Nachdem sich die Spins der Kerne parallel zum Magnetfeld ausgerichtet hatten, kühlten die Forscher das Xenon ab, bis es fest wurde. Dann beschossen sie es mit einem Radiofrequenzpuls.

© Boris Fine
Rückschwingende Spins
Die Spins der Xenonkerne schwingen in den unpolarisierten Zustand zurück. Da sie zu verschiedenen Zeitpunkten die zweite Anregung durch den "Störpuls" erfahren, beginnen sie ihre Rückschwingphase zu unterschiedlichen Zeiten. Die Skala zeigt einen Oszillationsbereich in Millisekunden.
Ein solcher Puls führt dazu, dass die zuvor ausgerichteten Spins sich für einen Augenblick senkrecht zum Feld stellen. Setzt der Puls aus, so schwingen sie in einen unpolarisierten Zustand zurück. Dieses charakteristische Rückschwingen, bei dem die Spins nur noch dem Magnetfeld und den Wechselwirkungen untereinander unterworfen sind, kann über die kernmagnetische Resonanz (NMR) gemessen werden.

Die vier Xenongas-Proben wurden nun dadurch voneinander unterschieden, dass drei der vier Proben nach dem ersten Radiofrequenzpuls noch einem zweiten Puls ausgesetzt wurden - jeweils in einem verschiedenen zeitlichen Abstand vom ersten. Diese zweite "Störung" sollte zu unterschiedlichen Anfangsbedingungen für jede Probe führen, aus denen heraus die Spins zurückschwingen.

© Boris Fine
Identisches Verhalten
Schiebt man die zeitlich versetzten Schwingungen übereinander, zeigt sich das identische Oszillationsverhalten für alle vier Proben (rote Linie). Obwohl die Systeme unterschiedliche Anfangsbedingungen besaßen, ist ihr Verhalten in der Rückschwingphase bezüglich Amplitude und Zeitverlauf identisch. Dies ist ein hier erstmals experimentell beobachtetes Anzeichen chaotischen Verhaltens.
Die Forscher beobachteten, dass sich die vier Proben zunächst völlig verschieden voneinander verhielten. Nach einiger Zeit jedoch besaßen alle Proben stets das identische Oszillationsverhalten - die Systeme "tanzten gleichförmig" in den unpolarisierten Zustand zurück. Solch kollektives gleichförmiges Verhalten bei unterschiedlichen Anfangsbedingungen ist ein Kennzeichen chaotischen Verhaltens.

Das Experiment zeigt, dass chaotische Phänomene eine fundamentalere Eigenschaft unserer Welt zu sein scheinen, als bislang bekannt. Sie beschreiben somit wohl nicht nur chemische Reaktionen, Planetenorbitale und andere klassisch-dynamische Systeme, sondern auch Vielteilchsysteme der Quantenmechanik. Damit stünde die Chaostheorie als zweite Säule neben der Theorie der Thermodynamik, die bereits als ein gemeinsames Fundament beider "Welten" - des Mikro- und des Makrokosmos - bekannt ist. (vsp)
 

Quellen:

Morgan, S. et al.: Universal Long-Time Behavior of Nuclear Spin Decays in a Solid. In: Physical Review Letters 10.1103/PhysRevLett.101.067601, 2008.
© spektrumdirekt
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