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Warum MIT-Physiker sagen, dass sie gerade einen „Durchbruch“ in der Quantenmechanik gemacht haben

Der Übergang von der klassischen zur Quantenphysik ist geschafft.

Atome in Form einer klassischen Nadelstruktur links und einer Reihe von „Quantentornados“ rechts. MIT

Physiker des Massachusetts Institute of Technology haben einen Durchbruch in ihrer Forschung in der Quantenphysik angekündigt.

Laut einer Studie veröffentlicht letzten Monat in der Zeitschrift Natur, Sie haben den Moment beobachtet, in dem ultrakalte Atome ihre Plätze miteinander tauschen. Die Studie durchgeführt von das MIT-Team hat das herausgefunden die Bewegung wechselnder Orte hat zur Entstehung sogenannter „Quantentornados“ geführt.

Um die beeindruckende Natur dieser Entdeckung zu erkennen, wird man sich daran erinnern, dass zwei Gesetze der Physik das Universum regieren: klassisch Physik und Quant Physik. Die klassische Physik bestimmt unsere Bewegungen, unser Tempo und unseren Standort, alles basierend auf dem Gesetz, dass wir uns immer nur an einem Ort aufhalten können. In der Zwischenzeit in Quantenphysik, Partikel können vorhanden sein in zahlreich Orte gleichzeitig. Diese Partikel können Hindernisse durchtunneln und sofort Informationen über große Entfernungen übermitteln.

„Diese Entwicklung hängt mit der Idee zusammen, wie ein Schmetterling in China hier einen Sturm erzeugen kann, aufgrund von Instabilitäten, die Turbulenzen auslösen“, erklärt Martin Zwierlein, ein Autor der Forschungsarbeit. „Hier haben wir Quantenwetter: Die Flüssigkeit zerfällt allein aufgrund ihrer Quanteninstabilitäten in diese kristalline Struktur aus kleineren Wolken und Wirbeln. Und es ist ein Durchbruch, diese Quanteneffekte sehen zu könnendirekt."

Zwierlein, Thomas-A.-Frank-Professor für Physik am MIT, sagt dazu: „Meine Botschaft an junge Physiker lautet: Seien Sie immer neugierig auf alles, was Sie sehen. Versuchen Sie, es zu verstehen, und denken Sie nicht: ‚Oh, es ist zu schwierig.'"

Quantentornados: Wie sie entstehen

Während des Drehvorgangs wird die runde Atomwolke in eine elektromagnetische Falle und verwandelt sich schließlich in eine dünne, nadelähnliche Struktur. Danach spaltete sich die Nadel in eine kristalline Struktur auf, die einer Kette kleiner Quantenzyklone ähnelte, an dem Punkt, an dem die klassische Physik gehemmt wird und nur noch Wechselwirkungen und Quantenregeln übrig bleiben, um die Atome zu führen' Aktivität.

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Interessanterweise ist der schnell rotierende Quantengasprozess der Rotation der Erde ziemlich ähnlich, und die Rotation der Quanten-m-Flüssigkeit ultrakalter Atome führt zu „Quantentornados“.

Richard Fletcher, Assistenzprofessor für Physik am MIT und Autor der Abhandlung, erklärt in a Anweisung dass „Kristallisation rein durch Wechselwirkungen angetrieben wird und uns sagt, dass wir von der klassischen Welt in die Quantenwelt gehen.“ Diese Verschiebung ist bedeutsam, da einige Dinge, die unserem alltäglichen Verständnis der Welt unmöglich erscheinen, sein könnten in der Quantenphysik durchaus möglich.

Wie diese Entdeckung genutzt werden kann — Diese Forschung hat ein gewisses Potenzial für praktische Anwendungen, wie z. B. Trägheitssensoren der U-Boot-Navigation. U-Boote verwenden faseroptische Gyroskope, um Rotationsbewegungen zu erkennen, wenn sie unter Wasser sind, und dies erzeugt ein verräterisches Interferenzmuster. Da sich Atome langsamer als Licht bewegen,ein Quanten-Tornado-Sensor könnte sogar empfindlich genug sein, um sehr geringe Änderungen der Erdrotation zu messen.

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Studienauszug aus dem TagebuchNatur:
Die Dominanz von Wechselwirkungen über kinetische Energie liegt im Herzen stark korrelierter Quantenmaterie, von fraktionierten Quanten-Hall-Flüssigkeiten bis hin zu Atomen in optischen Gittern und verdrilltem Doppelschichtgraphen. Kristalline Phasen konkurrieren oft mit korrelierten Quantenflüssigkeiten, und Übergänge zwischen ihnen treten auf, wenndie Energiekosten für die Bildung einer Dichtewelle gehen gegen 0. Ein Paradebeispiel sind Elektronen in hochstarken Magnetfeldern, wo die Instabilität von Quanten-Hall-Flüssigkeiten gegenüber einem Wigner-Kristall durch eine Roton-ähnliche Erweichung der Dichtemodulationen an der magnetischen Länge angekündigt wird.. Bemerkenswerterweise wird auch erwartet, dass wechselwirkende Bosonen in einem Eichfeld analoge flüssige und kristalline Zustände bilden. Allerdings stellt die Kombination von Wechselwirkungen mit starken synthetischen Magnetfeldern eine Herausforderung für Experimente an bosonischen Quantengasen dar. Hier untersuchen wir die rein wechselwirkungsgetriebene Dynamik vonein Landau-Pegel Bose-Einstein-Kondensat in und in der Nähe des niedrigsten Landau-Niveaus Wir beobachten eine spontanedurch Kondensation von Magneto-Rotonen getriebene Kristallisation, Anregungen sichtbar als Dichtemodulationen an der magnetischen Länge.Die Erhöhung der Wolkendichte verbindet dieses Verhalten nahtlos mit einer Quantenversion der hydrodynamischen Kelvin-Helmholtz-Instabilität, die durch das gescherte interne Strömungsprofil des schnell rotierenden Kondensats angetrieben wird.Lange Zeit organisiert sich das Kondensat selbst zu einer beständigen Anordnung von Tröpfchen, die durch Wirbelstraßen getrennt sind, die durch ein Gleichgewicht von Wechselwirkungen und wirksamen magnetischen Kräften stabilisiert werden.

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