Fuchs und Hase in der Quantenwelt
Forscher der Universität Basel zeigen, dass auch Quantensysteme antagonistische Wechselwirkungen haben können – ein Akteur zieht den anderen an, doch umgekehrt kommt es zur Abstossung. Solche Wechselwirkungen könnten mithilfe gekoppelter Atome realisiert werden.
23. Januar 2025 | Oliver Morsch
Im Physikunterricht haben wir gelernt, dass sich gleiche elektrische Ladungen abstossen, aber ungleiche sich gegenseitig anziehen. Wichtig ist dabei das Wörtchen «gegenseitig»: Ladung A zieht Ladung B an, und Ladung B zieht Ladung A an. Das klingt intuitiv und einleuchtend. In der Natur kommt es aber auch häufig vor, dass diese Gegenseitigkeit nicht gegeben ist, zum Beispiel bei Jäger und Beute: Der Fuchs wird vom Hasen angezogen und jagt ihm nach, der Hase aber rennt vor dem Fuchs davon. Das führt – solange der Fuchs den Hasen nicht gefangen hat – zu einer Dynamik, die man auch in anderen Systemen mit sogenannten aktiven Agenten beobachten kann, etwa bei Nanopartikeln oder in Kolloiden, also Teilchen, die innerhalb eines Mediums fein verteilt sind.
Die Physiker Tobias Nadolny, Prof. Christoph Bruder und Dr. Matteo Brunelli an der Universität Basel haben nun gezeigt, dass es solche antagonistischen, also gegensätzlichen Wechselwirkungen (A zieht B an, B stösst A ab) theoretisch auch in der Quantenwelt geben kann. In ihrer kürzlich im Fachjournal «Physical Review X» veröffentlichten Arbeit geben sie zudem ein Rezept dafür, wie antagonistische Quanten-Wechselwirkungen auch praktisch realisiert werden könnten.
Antagonistische Wechselwirkung in offenen Quantensystemen
«Es war nicht klar, ob es in der Quantenphysik antagonistischen Wechselwirkungen geben kann, da die mathematischen Formeln typischerweise zu einer gegenseitigen Wechselwirkung führen», sagt der Doktorand Tobias Nadolny. Um dennoch eine quantenphysikalische Jäger-Beute-Situation zu schaffen, griffen die Forscher auf offene Quantensysteme zurück. In solchen Systemen kann den Quantenteilchen ständig von aussen Energie zugeführt werden, zum Beispiel in Form von Licht, sodass sie «aktiv» werden. Zudem müssen sich die Teilchen auf ganz bestimmte Weise gegenseitig beeinflussen, um eine antagonistische Wechselwirkung zu erzeugen.
«Am Anfang wussten wir nicht, ob das überhaupt funktionieren würde», so Postdoc Matteo Brunelli, «und wir mussten lange rechnen, bis wir das Ergebnis hatten.» Dieses war dann aber eindeutig: Auch Quantenteilchen können sich wie Fuchs und Hase verhalten, mit allen Konsequenzen. Dazu gehört auch, dass das Quantensystem keinen statischen Ruhezustand annimmt, sondern immer in Bewegung ist.
Das kann zum Beispiel zur Bildung von Zeitkristallen führen, in denen sich eine bestimmte Dynamik periodisch wiederholt, ohne dass von aussen ein Takt vorgegeben wird. «Das ist wie bei einem normalen Kristall, in dem spontan die räumliche Symmetrie gebrochen wird und die Atome sich dadurch regelmässig anordnen – nur, dass die Ordnung nicht im Raum entsteht, sondern in der Zeit», erklärt Brunelli, der mittlerweile am Collège de France forscht.
Realisierung mit gekoppelten Atomen
Praktisch realisiert werden könnte ein solches offenes Quantensystem gemäss den Basler Forschern mit Atomen, die ständig mit Laserlicht angetrieben werden. Zwei räumlich getrennte Gruppen solcher Atome werden dann mittels zweier Wellenleiter (zum Beispiel Glasfaserkabel) so miteinander gekoppelt, dass sich Licht im einen Wellenleiter nur von rechts nach links und im anderen nur von links nach rechts ausbreiten kann.
Dies kann unter bestimmten Bedingungen dazu führen, dass die Phasen der atomaren Spins – die man sich wie kleine rotierende Pfeile vorstellen kann – in den beiden Gruppen antagonistisch miteinander wechselwirken: Die Phasen in Gruppe A (die angeben, an welcher Stelle der Rotation sich die Spins befinden) möchten sich denen in Gruppe B angleichen, die in Gruppe B aber versuchen, gegenüber A möglichst unterschiedliche Phasen zu haben.
«Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse ein Ansporn für andere Forscher sind, sich mit Quantensystemen mit antagonistischen Wechselwirkungen zu beschäftigen», sagt Nadolny. Auch praktische Anwendungen hat er schon im Sinn. So könnten die Erkenntnisse der Forscher zur Realisierung besonders robuster Taktgeber beitragen, zum Beispiel für Atomuhren.
Originalpublikation
Tobias Nadolny, Christoph Bruder, and Matteo Brunelli
Nonreciprocal synchronization of active quantum spins
Physical Review X (2025), doi: 10.1103/PhysRevx.15.011010
