Bearbeitetes Bild, das die Domänenwand als hellere Linie zwischen zwei Atomgruppen zeigt. (Kai-Xuan Yao) Die Quantenmechanik – das Verhalten des Universums auf den kleinsten Skalen – überrascht uns immer wieder, denn Wissenschaftlern ist es nun gelungen, in Laborumgebungen erfolgreich ein Quantenobjekt namens Domänenwand zu erschaffen.
Zum ersten Mal können diese Wände nun bei Bedarf im Labor erzeugt werden, wenn Atome bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert werden – ein Szenario, das als a bekannt ist Bose-Einstein-Kondensat – unter bestimmten Bedingungen in Domänen zusammenfassen. Die Wände sind die Verbindungen zwischen diesen Domänen.
Die Forscher, die diese Domänenwände schaffen, sagen, dass sie letztendlich neues Licht auf viele verschiedene Bereiche der Quantenmechanik werfen könnten, darunter Quantenelektronik, Quantengedächtnis und das Verhalten exotischer Quantenteilchen.
„Es ist ein bisschen wie eine Sanddüne in der Wüste – sie besteht aus Sand, aber die Düne verhält sich wie ein Objekt, das sich anders verhält als einzelne Sandkörner.“ sagt der Physiker Kai-Xuan Yao von der University of Chicago.
Da war bisherige Forschung in Domänenwände integrieren, aber sie konnten bisher im Labor noch nie nach Belieben erzeugt werden, was Wissenschaftlern die Möglichkeit gibt, sie auf neue Weise zu analysieren. Es stellt sich heraus, dass sie als unabhängige Quantenobjekte fungieren, jedoch nicht unbedingt in der Weise, wie Wissenschaftler es von ihnen erwarten würden.
Dieses unerwartete Verhalten bedeutet, dass Domänenwände einer Klasse von Objekten namens „ Emergenzphänomene , bei dem Teilchen, die sich verbinden, anderen physikalischen Gesetzen zu folgen scheinen als Teilchen, die eigenständig agieren.
Eine der ungewöhnlichen Beobachtungen des Teams ist die Art und Weise, wie Domänenwände auf elektrische Felder reagieren. Um dies zu entschlüsseln, bedarf es weiterer Untersuchungen. Allein die Möglichkeit, diese Wände herzustellen und zu manipulieren, ist für den Moment ein wichtiger Schritt nach vorne.
„Wir haben viel Erfahrung in der Kontrolle von Atomen“ sagt der Physiker Cheng Chin von der University of Chicago. „Wir wissen, dass sich Atome nach rechts bewegen, wenn man sie nach rechts schiebt.“ Aber wenn man hier die Domänenwand nach rechts verschiebt, bewegt sie sich nach links.“
Die Entdeckung ist unter anderem deshalb so wichtig, weil sie uns mehr darüber lehren könnte, wie sich Atome zu Beginn der Existenz des Universums verhalten haben: Teilchen, die einst zusammengeballt waren, dehnten sich schließlich aus und bildeten Sterne und Planeten, und das würden Wissenschaftler gerne wissen genau, wie das passiert ist.
Diese Entdeckung der Domänenwand fällt unter das Dach der sogenannten dynamischen Eichtheorie – einer Möglichkeit, die zu testen und zu berechnen Dynamik von Quantenphänomenen im Labor. Diese Entdeckungen könnten erklären, wie entstehende Phänomene in allen Bereichen wirken, von Materialien bis zum frühen Universum.
Doch die Forscher blicken nicht nur zurück, sondern auch nach vorne. Sobald mehr darüber verstanden wird, wie Domänenwände kontrolliert werden können, könnten sich Möglichkeiten für neue Quantentechnologien eröffnen.
„Möglicherweise gibt es Anwendungen für dieses Phänomen im Hinblick auf die Herstellung programmierbarer Quantenmaterialien oder Quanteninformationsprozessoren.“ sagt Chin .
„Es kann genutzt werden, um eine robustere Methode zur Speicherung von Quanteninformationen zu schaffen oder neue Funktionen in Materialien zu ermöglichen.“ Aber bevor wir das herausfinden können, müssen wir zunächst verstehen, wie wir sie kontrollieren können.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .