Wissenschaftler haben eine 60 Jahre alte Theorie des amerikanischen Physikers P. W. Anderson nochmals untersucht und neue Einblicke in die Quantenwelt erhalten.
Die Quantenphysik erklärt, wie sich die Bausteine der Welt, beispielsweise Atome oder Elektronen, zusammensetzen. Alles, was wir um uns herum sehen, besteht aus Atomen und Elektronen, die so klein sind, dass eine Milliarde Atome nebeneinander in einen Zentimeter Länge passen würden.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Atome und Elektronen verhalten, beschreiben Wissenschaftler dieses Verhalten als Welle. In der Studie betrachteten die Forscher, wie Wellen eine Landschaft mit Hindernissen an zufälligen Positionen durchqueren. Anderson entwickelte diese Theorie ursprünglich, um Elektronen in Halbleitern zu beschreiben. Sein Einblick war ein bedeutender Beitrag zur Entwicklung von Computerchips und zur Elektronik.
“Seine Arbeit beschreibt ein bekanntes Phänomen, das bei allen Arten von Wellen auftritt, seien es Lichtwellen, Meereswellen, Schallwellen oder quantenmechanische Wellen”, sagte der leitende Wissenschaftler Maarten Hoogerland von der University of Auckland.
Im Gegensatz zu Teilchen, die sich geradlinig bewegen, können Wellen Hindernisse umgehen. Aber wenn es genug zufällig positionierte Hindernisse gibt, können die Wellen nicht hindurch, weil sie in Interferenz zueinander geraten und sich gegenseitig auslöschen.
Im Quantum Information Lab an der University of Auckland gingen die Forscher mit Andersons Arbeit einen Schritt weiter und fügten ein Experiment mit ultrakalten Atomen hinzu. Mit der Hilfe von Lasern manipulierten sie diese ultrakalten Atome, bis sie so kalt waren, dass ihr Wellenverhalten für das Auge sichtbar wurde.
“Wir sprechen über ein Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius), das ist recht kühl. Wir haben maßgeschneiderte Hindernismuster erschaffen, um die Wellen zu stoppen, und wenn wir ein Bild machen, können wir feststellen, wo diese Atome sind”, sagte Dr. Hoogerland. “Auf diese Weise können wir sehen, was genau benötigt wird, um unsere quantenmechanischen Wellen dazu zu bringen, von Hindernissen abzuprallen, und warum diese Wellen nicht hinein gelangen.”
Das Forschungsteam arbeitete mit Kollegen des Dodd-Walls Centre for Photonics and Quantum Technologies und der University of Otago zusammen und konnte die Ergebnisse des Experiments mit theoretischen Vorhersagen in Einklang bringen. So gelangen neue Einblicke, die für die Produktion und Prüfung von “Designer-Materialien” mit maßgeschneiderten Eigenschaften genutzt werden könnten.
Die Studie erschien im Journal Nature Communications.
(THK)
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