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Illustration von Quasiteilchen

Quasiteilchen, quasi zum Geburtstag

Die Physik bezeichnet ihre Phänomene oft sehr treffend: So sind "Quasiteilchen" keine Teilchen wie z.B. Elektronen und Protonen, sondern Zustände in Festkörpern, die sich wie Teilchen verhalten. Forscher des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation haben dazu nun eine Studie veröffentlicht - quasi zum zehnten Jubiläum.

Quantenphysik I 10.07.2014

"Das ist aber ein reiner Zufall, wenn auch ein schöner", lacht Studienautor Christian Roos. "Man kann es sich bei 'Nature' nicht aussuchen, wann eine Arbeit erscheint." Die Publikation zum zehnten Geburtstag des IQOQI, das am Donnerstag in Innsbruck gebührend gefeiert wird, ist jedenfalls ein schönes Geschenk.

Die Studie:

"Quasiparticle engineering and entanglement propagation in a quantum many-body system" von Petar Jurcevic und Kollegen ist am 9.7. in "Nature" erschienen.

Ö1 Sendungshinweis:

Dem zehnten Geburtstag des IQOQI widmet sich auch ein Beitrag in Wissen aktuell: 10.07., 13:55 Uhr.

Ein kollektiver Zustand

Den Begriff der Quasiteilchen kennt die Physik seit vielen Jahrzehnten. "Das Konzept taucht auf in quantenmechanischen Vielteilchensystemen, die aus vielen gleichartigen Untereinheiten aufgebaut sind, die miteinander wechselwirken", erklärt Roos gegenüber science.ORF.at.

Aber nicht nur in der Zwergenwelt der Quantenphysik gibt es das Phänomen, Roos nennt aus der klassischen Physik die Beispiele von "Elektronen, die sich in Festkörpern ausbreiten und miteinander wechselwirken, oder magnetische Systeme, wo dies Atome wie kleine Atomnadeln tun".

Bei all diesen Vielteilchensystemen gibt es auf der einen Seite einen Zustand niedrigster Energie und auf der anderen energetisch angeregte Zustände. "Quasiteilchen sind kollektive Anregungszustände dieser Systeme. Es sind keine echten Teilchen, aber sie verhalten sich in vielen Aspekten wie solche", erklärt der Physiker vom IQOQI.

Jedes Teilchen beeinflusst die anderen

Eine körperliche Grundlage braucht es für diesen kollektiven Zustand, der Quasiteilchen heißt, aber dennoch. Im Falle von Roos und seinen Kollegen waren es zwischen sieben und fünfzehn Kalzium-Ionen, also geladene Atome. Diese Atome fingen die Forscher in einer Vakuumkammer und fädelten sie wie an einer Schnur auf.

Mit Hilfe von Lasern lassen sich die Eigenschaften der einzelnen Atome - etwa die magnetische Ausrichtung - sehr genau kontrollieren und präzise messen.

"Jedes Teilchen verhält sich wie ein kleiner Quantenmagnet, die sich dann auch gegenseitig beeinflussen", erklärt Petar Jurcevic, Erstautor der Studie in einer Aussendung. "Wenn wir eines der Teilchen gezielt anregen, werden die anderen Teilchen dadurch beeinflusst. Das kollektive Verhalten beschreiben wir als Quasiteilchen."

Kopplung bis zum 14. Nachbarn

"Wir haben nun erstmals nachgewiesen, dass es sich bei diesen Kopplungen um Quantenkorrelationen handelt", sagt Roos. Was so viel heißt wie: Die quantenmechanischen Eigenschaften eines Atoms - etwa die magnetische Ausrichtung - wird wie durch Zauberhand auf ein anderes übertragen.

"Und zwar nicht nur auf das benachbarte Atom, sondern - wie in unserem Beispiel - bis zum 14. Nachbarn. Die Kopplung wird zwar schwächer, aber nur moderat", sagt Roos. Theoretisch sei dies auch mit 1.000 Atomen oder mehr möglich, aus praktisch-experimentellen Gründen derzeit aber nicht.

Praktische Anwendungen der Innsbrucker Forscher liegen nicht unbedingt auf der Hand. Quasiteilchen könnten aber eine wichtige Rolle spielen bei der Verarbeitung von Quanteninformationen. "Unsere Experimente kann man als Spielart eines höchst spezialisieren Quantencomputers ansehen", so Roos.

Lukas Wieselberg, science.ORF.at

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