Atominstitut
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2020-11-02 [ ]

Was man durch ultrakalte Atome über das Quantenvakuum lernt

Der Unruh-Effekt verbindet Quantenphysik und Relativitätstheorie. Messen konnte man ihn bisher nicht. Eine neue Idee könnte das nun ändern – allerdings auf völlig andere Weise als gedacht.

Laserstrahl, der auf eine Wolke ultrakalter Atome trifft

Ist das Vakuum wirklich leer? Nicht unbedingt. Zu diesem Ergebnis kommt man, wenn man Quantentheorie und Relativitätstheorie miteinander verbindet. Zu den wohl seltsamsten Effekten, die in diesem Forschungsbereich je vorhergesagt wurden, gehört der sogenannte Unruh-Effekt: Wenn man durch das Vakuum fliegt und dabei extrem beschleunigt, dann sieht es nicht mehr wie ein Vakuum aus, sondern man befindet sich plötzlich in einem Wärmebad voller Teilchen. Dieses Phänomen ist eng verwandt mit der Hawking-Strahlung schwarzer Löcher.

Beobachten konnte man es bisher noch nicht. Durch eine neue Idee könnte das nun aber möglich werden – zumindest auf indirekte Weise: Ein Forschungsteam von Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der TU Wien konnte gemeinsam mit Forschungsgruppen aus Nottingham und Vancouver

Das Vakuum ist voller Teilchen

Eine der wesentlichen Grundideen von Albert Einsteins Relativitätstheorie ist: Manche Messergebnisse hängen vom Bewegungszustand des Beobachters ab. Wie schnell tickt eine bestimmte Uhr? Wie lang ist ein bestimmtes Objekt? Welche Wellenlänge hat ein bestimmter Lichtstrahl? Darauf gibt es keine universelle Antwort, das Ergebnis ist relativ – es hängt davon ab, wie schnell sich der Beobachter bewegt. Aber was ist nun mit der Frage, ob ein bestimmter Bereich des Raums leer ist oder nicht? Sollte nicht wenigstens darüber Einigkeit herrschen?

Nein – denn was für den einen Beobachter wie perfektes Vakuum aussieht ist für den anderen ein turbulentes Gewimmel von Teilchen und Strahlung. Der Unruh-Effekt, postuliert im Jahr 1976 von William Unruh, sagt, dass für einen stark beschleunigten Beobachter das Vakuum eine Temperatur annimmt. Das liegt an sogenannten virtuellen Teilchen, die auch für andere wichtige Effekte verantwortlich sind; etwa für die Hawking-Strahlung, die dazu führt, dass schwarze Löcher verdampfen.

„Den Unruh-Effekt auf direktem Weg nachzuweisen, wie William Unruh ihn beschrieben hat, ist für uns heute völlig unmöglich“, erklärt Dr. Sebastian Erne der als ESQ-Fellow vor ein paar Monaten von Nottingham an das Atominstitut der TU Wien kam. „Man müsste ein Messgerät innerhalb von einer Mikrosekunde fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, um zumindest einen winzig kleinen Unruh-Effekt zu sehen – das können wir nicht.“ Doch es gibt eine andere Möglichkeit, etwas über diesen merkwürdigen Effekt zu lernen: Sogenannte Quantensimulatoren.

Quantensimulatoren

„Viele Gesetze der Quantenphysik sind sehr universell. Sie können in ganz unterschiedlichen Systemen nachgewiesen werden. Manchmal lassen sich mit derselben Formel ganz verschiedene Quantenobjekte erklären“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Das bedeutet, dass man oft etwas Wichtiges über ein bestimmtes Quantensystem lernen kann, indem man ein anderes Quantensystem studiert.“

Das ist auch in diesem Fall so: Wenn der Unruh-Effekt in seiner ursprünglichen Variante aus praktischen Gründen nicht nachgewiesen werden kann, dann kann man ein anderes Quantensystem herstellen, das sich möglichst gut anpassen und untersuchen lässt, um den Effekt dort in anderer Form zu studieren.

Wie das Forschungsteam rund um Silke Weinfurtner und Jorma Louko (University of Nottingham), Willam G. Unruh (University of Britisch Columbia) und Jörg Schmiedmayer (TU Wien) nun zeigen konnte, sind zweidimensionale Bose-Einstein-Kondensate dafür bestens geeignet: Anstatt den leeren Raum zu studieren, in dem bei beschleunigter Bewegung plötzlich Teilchen sichtbar werden, kann man eine zweidimensionale Wolke aus ultrakalten Atomen studieren, bei der plötzlich innere Anregungen sichtbar werden.

Atomwolken und Laserstrahlen

So ähnlich wie ein Teilchen eine „Störung“ des leeren Raumes ist, gibt es Störungen im kalten Bose-Einstein-Kondensat – kleine Unregelmäßigkeiten, die sich wellenartig ausbreiten. Wie nun gezeigt werden konnte, sollten sich solche Unregelmäßigkeiten mit speziellen Laserstrahlen nachweisen lassen. Durch besondere Tricks kann es gelingen, das Bose-Einstein-Kondensat trotz der Wechselwirkung mit dem Laserlicht nicht zu zerstören.

„Wenn man den Laserstrahl bewegt, so dass der Auftreffpunkt über das Bose-Einstein-Kondensat wandert, entspricht das einer Bewegung des Beobachters durch den leeren Raum“, erklärt Schmiedmayer. „Wenn man den Laserstrahl in beschleunigter Bewegung über die Atomwolke führt, dann sollte man Störungen nachweisen können, die im unbewegten Fall nicht da sind – genau wie ein beschleunigter Beobachter im Vakuum ein Wärmebad wahrnehmen würde, das für den unbewegten Beobachter nicht da ist.“

„Bis jetzt war der Unruh-Effekt eine abstrakte Idee“, sagt Prof. Silke Weinfurtner, „viele hatten die Hoffnung auf experimentelle Verifizierung aufgegeben. Die Möglichkeit einen Teilchendetektor in einer Quantensimulation zu integrieren, wird uns neue Einblickein theoretische Modelle ermöglichen, die sonst experimentell nicht zugänglich sind.“

Diese Idee wurde nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht. Bis das Experiment tatsächlich durchgeführt werden kann, wird wohl noch einige Zeit vergehen: „Es ist möglich, aber sehr aufwändig“, erklärt Jörg Schmiedmayer. „Aber es wäre eine wunderschöne Möglichkeit, etwas über einen wichtigen Effekt zu lernen, den man bisher für praktisch unbeobachtbar hielt.“

Kontakt

Prof. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut, Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ)
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141888
hannes-joerg.schmiedmayer@tuwien.ac.at
schmiedmayer@AtomChip.org