Universeel gedrag is een centrale eigenschap van faseovergangen, wat bijvoorbeeld te zien is bij magneten die boven een bepaalde temperatuur niet meer magnetisch zijn. Een team van onderzoekers uit Kaiserslautern, Berlijn en Hainan, China, is er voor het eerst in geslaagd dergelijk universeel gedrag waar te nemen in de temporele ontwikkeling van een open kwantumsysteem, een enkel cesiumatoom in een bad van rubidiumatomen.

Deze bevinding helpt te begrijpen hoe kwantumsystemen een evenwicht bereiken. Dit is bijvoorbeeld van belang voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Faseovergangen in de scheikunde en natuurkunde zijn veranderingen in de toestand van een stof, bijvoorbeeld de overgang van een vloeibare naar een gasvormige fase, wanneer een externe parameter zoals temperatuur of druk wordt veranderd.

"Magneten zijn een goed voorbeeld", zegt professor dr. Artur Widera, hoofd van de afdeling Individual Quantum Systems aan de Universiteit Kaiserslautern-Landau (RPTU).

"Ferromagneten vertonen spontane magnetisatie zonder een extern magnetisch veld, dat wil zeggen dat ze inherent magnetisch zijn, maar alleen onder een bepaalde kritische temperatuur. Wanneer de temperatuur boven dit punt stijgt, ondergaat het systeem een ​​continue faseovergang; boven deze temperatuur is het materiaal niet langer magnetisch."

In een experiment kan een universeel gedrag bij een faseovergang specifiek worden geïnduceerd door een parameter zoals druk, magnetisme of temperatuur te veranderen. Het bijzondere is dat dit gedrag van een fysieke grootheid "beschreven kan worden door een paar kritische parameters", vervolgt Widera, "die op hun beurt onafhankelijk zijn van de details van het systeem in kwestie."

Kan dit universele gedrag ook in de kwantumwereld worden waargenomen, dus op atomair en subatomair niveau?

In de huidige studie plaatste het onderzoeksteam van Widera individuele cesiumatomen in een specifieke kwantumtoestand en dompelde ze onder in een gas van rubidiumatomen. Deze combinatie van een enkel kwantumsysteem (cesium) dat interageert met het rubidiumbad wordt in vakkringen ook wel een open kwantumsysteem genoemd. Zowel de cesiumatomen als de rubidiumatomen werden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt.

"In tegenstelling tot de gebruikelijke observaties was in ons experiment de tijd de parameter die een kritiek punt, of kritieke tijd, zou moeten bereiken", zegt dr. Jens Nettersheim, onderzoeksmedewerker bij Widera en co-auteur van het onderzoek. Om dit te bereiken moesten de onderzoekers het kwantumsysteem met veel energie opwekken.

"Wat we nu hebben waargenomen is dat de entropie eerst toeneemt naarmate het systeem zich in de loop van de tijd ontwikkelt", voegt Ling-Na Wu toe, een theoretisch natuurkundige die het project begeleidde en de eerste auteur van het onderzoek is.

Onderzoekers begrijpen de term entropie als een maatstaf voor de wanorde in een bepaald systeem en daarmee ook voor de mogelijkheid dat deeltjes zichzelf in een systeem rangschikken – zoals in dit geval de cesium- en rubidiumatomen. Hoe groter de wanorde in een systeem, hoe hoger de entropie en omgekeerd. Wu zegt:"Dit gebeurt totdat de entropie zijn maximale waarde bereikt, die vervolgens weer afneemt."

Het is precies op dit punt, het kritieke moment, dat het universele gedrag van het kwantumsysteem begint. André Eckardt, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Technische Universiteit (TU) Berlijn, die het theoretische werk aan dit project leidde, legt uit:" Op dit moment gebeurt het volgende:figuurlijk gesproken verliest het systeem zijn herinnering aan wat er eerder is gebeurd, of aan de exacte begintoestand. De daaropvolgende dynamiek is universeel. In de natuurkunde betekent dit dat het gedrag beschreven kan worden met een formule en een parameter.

Uit het onderzoek blijkt dat er in open kwantumsystemen sprake is van universeel gedrag met betrekking tot tijd. Met dit werk dragen de natuurkundigen bij aan een beter begrip van de fundamentele werking van dergelijke systemen. "Het is nog steeds niet helemaal duidelijk hoe dergelijke open kwantumsystemen energie vrijgeven, dat wil zeggen ontspannen, en hoe thermodynamisch evenwicht precies wordt bereikt", legt Widera uit.

Veel technische toepassingen werken tegenwoordig alleen dankzij de kwantumtechnologie die erin is ingebouwd. In de toekomst zal het een steeds belangrijkere rol gaan spelen, bijvoorbeeld in quantumcomputers of quantumsensoren. Het is daarom belangrijk om te begrijpen wat er in dergelijke systemen gebeurt en hoe ze omgaan met hun omgeving.

Widera's team voerde de experimenten uit bij RPTU in Kaiserslautern; het theoretische werk voor deze studie werd geleverd door de werkgroep onder leiding van professor dr. André Eckardt van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Berlijn, waarbij ook Ling-Na Wu van de Hainan Universiteit in China betrokken was.

Meer informatie: Ling-Na Wu et al, Indicatie van kritische schaalvergroting in de tijd tijdens de versoepeling van een open kwantumsysteem, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46054-9

Aangeboden door Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau