Physiker „beobachteten“ Schrödingers Katze mit neuem „Fell“

In der Physik ist Schrödingers Katze ein Sinnbild für zwei der beeindruckendsten Effekte der Quantenmechanik:

Verschränkung und Überlagerung.Forscher aus Dresden und München haben dieses Verhalten nun in einem viel größeren Maßstab als bei kleinsten Teilchen beobachtet. Bisher war bekannt, dass Materialien mit Eigenschaften wie Magnetismus sogenannte Domänen besitzen – Inseln, in denen die Eigenschaften der Materialien einheitlich sind. Wenn das Farben wären, wären es schwarze und weiße Inseln. Doch durch die Untersuchung von Lithiumholmiumfluorid (LiHoF 4) haben Physiker einen völlig neuen Phasenübergang entdeckt, bei dem die Domänen plötzlich quantenmechanische Eigenschaften aufweisen, was dazu führt, dass ihre Eigenschaften miteinander verschränkt werden (und sowohl schwarz als auch weiß bleiben).

„Unsere „Quantenkatze“ hat jetzt ein neues „Fell“,denn wir haben in LiHoF 4 einen neuen Quantenphasenübergang entdeckt, der bisher nicht bekannt war“, sagt Matthias Vojta, Leiter des Lehrstuhls für Theoretische Festkörperphysik an der Technischen Universität Dresden.

Eigenschaften wie Magnetismus bzwSupraleitung entsteht durch Phasenübergänge von Elektronen in Kristallen. Bei Phasenübergängen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C kommen quantenmechanische Effekte wie Verschränkung und Quantenphasenübergänge ins Spiel.

Bei sehr niedrigen Temperaturen wirkt LiHoF 4wie ein Ferromagnet, bei dem alle magnetischen Momente spontan in eine Richtung gerichtet sind. Wird ein Magnetfeld genau senkrecht zur magnetischen Vorzugsrichtung angelegt, kommt es zu Richtungsänderungen der magnetischen Momente, sogenannten Schwankungen. Je höher die Magnetfeldstärke, desto stärker werden diese Schwankungen, bis schließlich der Ferromagnetismus in einem Quantenphasenübergang vollständig verschwindet. Dies führt zur Verschränkung benachbarter magnetischer Momente. „Wenn Sie eine Probe von LiHoF 4 zu einem sehr starken Magneten bringen, hört es plötzlich auf, spontan magnetisch zu sein. Das ist seit 25 Jahren bekannt“, sagt Vojta.

Neu ist, was passiert, wenn Siedie Richtung des Magnetfeldes ändern. „Wir haben herausgefunden, dass der Quantenphasenübergang weiterhin stattfindet, während bisher angenommen wurde, dass bereits die geringste Neigung des Magnetfelds ihn sofort unterdrücken würde“, erklärt Studienmitautor Christian Pfleiderer, Professor für Topologie korrelierter Systeme an der Technischen Universität von München. Unter diesen Bedingungen durchlaufen jedoch nicht einzelne magnetische Momente Quantenphasenübergänge, sondern große magnetische Bereiche, die sogenannten ferromagnetischen Domänen.

„Wir haben für unsere kugelförmige Proben verwendetPräzisionsmessungen. Dadurch konnten wir das Verhalten kleiner Richtungsänderungen des Magnetfelds genau untersuchen“, ergänzt Andreas Wendl, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat.

„Wir haben eine völlig neue Art von Quanten entdecktPhasenübergänge, bei denen die Verschränkung im Maßstab vieler tausend Atome stattfindet und nicht nur im Mikrokosmos einiger weniger, erklärt Vojta. „Stellt man sich die magnetischen Domänen als Schwarz-Weiß-Muster vor, führt der neue Phasenübergang dazu, dass die weißen oder schwarzen Bereiche verschwindend klein werden, also ein Quantenmuster erzeugen, und sich nicht vollständig auflösen.“ Ein neu entwickeltes theoretisches Modell erklärt erfolgreich die aus den Experimenten gewonnenen Daten.

Weiter lesen:

Die ersten Bilder des unterirdischen Teils des Mars überraschten die Wissenschaftler

Eine Galaxie, die sich 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befindet, hat sich zu einem Einstein-Ring „zusammengerollt“.

Plant on Mars produziert Sauerstoff mit der Geschwindigkeit eines durchschnittlichen Baumes