Egal, wie viel Energie es erhält, dieses Gas lässt sich nicht erhitzen.

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 21. August 2025

Trotz des kontinuierlichen Antriebs und der starken Wechselwirkung absorbieren die Atome keine Energie mehr. Das System befindet sich im Impulsraum, und die Impulsverteilung friert buchstäblich ein. [Bild: Universität Innsbruck]

Energiegewinn ohne Heizung

Arbeiten an einem System führen in der Regel zu dessen Erwärmung. Denken Sie beispielsweise daran, Ihre Hände aneinander zu reiben oder mit einem Hammer auf einen Nagel zu schlagen – sowohl Ihre Hände als auch der Nagel erhitzen sich.

Doch wenn wir die Thermodynamik bis an die Grenzen von Systemen ausdehnen, die nach den Gesetzen der Quantenmechanik funktionieren , sind die Dinge nicht mehr so ​​intuitiv.

Als Wissenschaftler begannen, an mikroskopischen Systemen herumzubasteln, gingen sie davon aus, dass das System die Energie absorbieren und sich erwärmen würde, wenn sie einem System aus vielen Teilchen, insbesondere einem System mit starken Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, kontinuierlich Energie zuführten.

Doch Yanliang Guo und Kollegen von der Universität Innsbruck in Österreich haben gerade gezeigt, dass dies nicht passieren wird – oder zumindest nicht in allen Fällen.

Indem sie mithilfe eines Lasers Energie an die Atome einer Flüssigkeit lieferten, die auf eine eindimensionale Skala reduziert war – einer Quantenflüssigkeit – und bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde, stellten die Forscher fest, dass nach einer kurzen Periode der erwarteten Erwärmungsentwicklung die Impulsverteilung der Atome aufhörte, sich auszubreiten, und die kinetische Energie des Systems ein Plateau erreichte.

„Anfangs erwarteten wir, dass die Atome herumfliegen würden. Stattdessen verhielten sie sich überraschend geordnet“, sagte Guo.

Die Entdeckung hat direkte praktische Auswirkungen auf die Quanteninformatik . [Bild: Yanliang Guo et al. - 10.1126/science.adn8625]

Quantenmateriekontrolle

Trotz ständiger Energiezufuhr und starker Wechselwirkung absorbierte das System keine weitere Energie: Es lokalisierte sich im Impulsraum – ein faszinierendes Phänomen, das als „dynamische Vielteilchenlokalisierung“ bezeichnet wird. Im Gegensatz zum realen Raum, dem „Positionsraum“, beschreibt der Impulsraum ein System nicht durch die Position seiner Elemente, sondern durch deren linearen Impuls. Man denke an Menschen in einem Raum, deren Positionen sich mithilfe von Koordinaten abbilden lassen: Der Impulsraum des Systems bildet ab, wie viele Menschen stillstehen oder sich mit bestimmten Geschwindigkeiten bewegen.

Professor Hanns-Christoph Nagerl kommt auf sein Quantenflüssigkeitssystem zurück und erklärt: „In diesem Zustand verhindern Quantenkohärenz und Vielteilchenverschränkung, dass das System thermisiert und diffusives Verhalten zeigt, selbst bei anhaltender externer Anregung. Die Impulsverteilung friert im Wesentlichen ein und behält ihre Struktur.“

Um die Robustheit des Phänomens zu testen, führten die Forscher Zufälligkeit in die Laserfeuersequenz ein. Tatsächlich genügte eine geringe Unordnung, um den Lokalisierungseffekt zu zerstören und die Diffusion wiederherzustellen: Die Impulsverteilung wurde dispersiv, die kinetische Energie stieg stark an und das System absorbierte kontinuierlich Energie. „Dieser Test verdeutlichte, dass Quantenkohärenz entscheidend ist, um die Thermalisierung in solchen kontrollierten Vielteilchensystemen zu verhindern“, sagte Nagerl.

Diese Entdeckung geht über das grundsätzliche Interesse am Verständnis von Materie auf Quantenebene hinaus. Zu verstehen, wie diese Systeme der Thermalisierung entgehen, ist ein grundlegender Schritt zum Bau besserer Quantengeräte, einschließlich Quantensimulatoren und -computern , bei denen Erwärmung und Dekohärenz große Probleme darstellen, da sie Fehler verursachen und zum Verlust der Daten der Qubits führen.

„Dieses Experiment bietet eine präzise und hochgradig anpassbare Möglichkeit, zu erforschen, wie Quantensysteme der Anziehungskraft des Chaos widerstehen können“, sagt Guo und fügt hinzu, dass die Ergebnisse ein neues Fenster zur Kontrolle von Materie auf Quantenebene öffnen, was die meisten Wissenschaftler zuvor für unmöglich gehalten hatten.

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