Echtzeit-Beobachtung von kollektiven Quantenmoden

Ein zylinderförmiger Stab ist drehsymmetrisch – rotiert man ihn beliebig um seine Achse, so sieht er immer gleich aus. Übt man allerdings eine zunehmend grosse Kraft in der Längsrichtung auf ihn aus, so wird er irgendwann einknicken und seine Drehsymmetrie verlieren.

Solche als «spontane Symmetriebrechung» bezeichneten Vorgänge spielen sich auf subtile Weise auch in der mikroskopischen Welt der Quanten ab und sind dort für eine Reihe fundamentaler Phänomene wie Magnetismus und Supraleitung verantwortlich. Ein Forscherteam um ETH-Professor Tilman Esslinger und Senior Scientist Tobias Donner vom Institut für Quantenelektronik hat nun die Folgen einer spontanen Symmetriebrechung mit Hilfe eines Quantensimulators im Detail studiert. Die Forschungsergebnisse erschienen kürzlich im Fachblatt Science.

Esslinger und seine Mitarbeiter interessierten sich in ihrer neuen Arbeit insbesondere für Phasenübergänge, Prozesse also, bei denen sich die Eigenschaften eines physikalischen Systems drastisch ändern – wie etwa beim Übergang eines Materials von fest zu flüssig, oder bei der spontanen Magnetisierung eines Festkörpers.

Bei bestimmten Arten von Phasenübergängen, die durch eine spontane Symmetriebrechung hervorgerufen werden, treten so genannte Higgs- und Goldstone-Moden auf. Diese beschreiben, wie die Teilchen in einem Stoff kollektiv auf Störungen von aussen reagieren. «Diese kollektiven Anregungen wurden bisher nur indirekt nachgewiesen», erklärt Julian Léonard, der in Esslingers Labor promovierte und jetzt Postdoc an der Harvard University ist, «doch nun ist es uns gelungen, den durch die Symmetrie vorgegebenen Charakter dieser Moden direkt zu beobachten.»