Kwantumfysica maakt het mogelijk uitspraken te doen over het gedrag van een grote verscheidenheid aan veeldeeltjessystemen op atomair niveau, van zoutkristallen tot neutronensterren. In kwantumsystemen, veel parameters hebben geen concrete waarden, maar worden met bepaalde waarschijnlijkheden over verschillende waarden verdeeld. Vaak neemt deze verdeling de vorm aan van een eenvoudige Gauss-klokkromme die ook in klassieke systemen wordt aangetroffen, bijvoorbeeld de verdeling van ballen in het Galton-boxexperiment. Echter, niet alle kwantumsystemen volgen dit eenvoudige gedrag en sommige kunnen vanwege interacties afwijken van de Gauss-verdeling.

Prof. Dr. Jens Eisert, die aan het hoofd staat van een gezamenlijke onderzoeksgroep voor theoretische fysica aan de Freie Universität Berlin en het Helmholtz-Zentrum Berlin, stelt dat zodra interacties worden verminderd, dergelijke afwijkingen in de loop van de tijd afnemen en Gaussiaans worden verdeeld. Nu heeft hij dit vermoeden experimenteel kunnen onderbouwen.

Om dit te doen, het Berlijnse team werkte samen met een groep experimentele natuurkundigen onder leiding van Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer aan de Technische Universiteit van Wenen. Schmiedmayer en leden van zijn groep, in het bijzonder dr. Thomas Schweigler, een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat bereid:dit is een kwantumsysteem bestaande uit enkele duizenden rubidium-atomen, die werden opgesloten in een quasi-eendimensionale configuratie met behulp van magnetische velden en afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt (50 nanokelvin).

"De Weense groep creëerde een synthetisch kwantumsysteem waarin de verdeling van de fononen bijzonder scherp kan worden waargenomen, " legt Dr. Marek Gluza uit, co-auteur van de studie en postdoc met Jens Eisert. De meetgegevens geven in eerste instantie de complexe dynamiek van de fononen weer. Maar de complexiteit gaat in de loop van de tijd verloren en de verdeling neemt de vorm aan van een Gauss-klokkromme.

"In feite, we kunnen hier zien hoe een Gauss-verdeling in de loop van de tijd ontstaat. De natuur vindt een eenvoudige oplossing, helemaal vanzelf, door zijn fysieke wetten, ", zegt Jens Eisert.

Het unieke van het uitgevoerde experiment is dat het systeem na verloop van tijd teruggaat naar de meer complexe distributie, waarmee wordt aangetoond dat de handtekeningen van een gecompliceerde toestand weer kunnen worden opgevraagd. "We weten precies waarom het terugzwaait en waar het van afhangt, " legt Gluza uit. "Dit laat ons iets zien over de isolatie van het systeem omdat de informatie over de handtekeningen het systeem nooit heeft verlaten."