Einige Quantenteilchen müssen zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren.
Physiker haben ein theoretisch vorhergesagtes Phänomen namens Quantenbumerang-Effekt bestätigt. Ein Experiment zeigt, dass nach dem Anstupsen Partikel einiger Materialien kehren im Durchschnitt zu ihrem Ausgangspunkt zurückberichten Forscher in einem angenommenen Artikel Körperliche Untersuchung X.
Partikel können Bumerang sein, wenn sie sich in sehr ungeordnetem Material befinden. Anstelle eines makellosen Materials, das aus ordentlich angeordneten Atomen besteht, muss das Material viele Defekte aufweisen, wie z. B. fehlende oder falsch ausgerichtete Atome oder andere Arten von Atomen, die überall verstreut sind.
1958 erkannte der Physiker Philip Anderson, dass bei ausreichender Unordnung Elektronen in einem Material werden lokalisiert: Sie bleiben an Ort und Stelle stecken und können sich nicht sehr weit von ihrem Ausgangspunkt entfernen. Die gestrandeten Elektronen verhindern, dass das Material Strom leitet, und verwandeln so ein Metall in einen Isolator. Diese Lokalisierung ist auch für den Bumerang-Effekt notwendig.
Um sich den Bumerang in Aktion vorzustellen, stellt sich der Physiker David Weld von der University of California, Santa Barbara vor, wie er schrumpft und in unordentlichem Material gleitet. Wenn es versucht, ein Elektron wegzuwerfen, sagt er, „dreht es sich nicht nur um und kommt direkt auf mich zurück, sondern es kommt auf mich zurück und hält an.“ (Tatsächlich, sagt er, ist das Elektron in diesem Sinne „eher wie ein Hund als ein Bumerang“. Der Bumerang wird Sie weiterhin überholen, wenn Sie ihn nicht fangen, aber ein gut trainierter Hund wird an Ihrer Seite sitzen .)
Weld und seine Kollegen demonstrierten diesen Effekt mit ultrakalten Lithiumatomen als Elektronenersatz. Anstatt nach Atomen zu suchen, die in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, untersuchte das Team die analoge Situation für Impuls, da dieser im Labor relativ einfach zu erzeugen war. Die Atome waren ursprünglich stationär, aber nachdem sie von Lasern getreten wurden, um ihnen Schwung zu verleihen, kehrten die Atome im Durchschnitt in ihren ursprünglichen stationären Zustand zurück und erzeugten einen Bumerang von Impuls.
Das Team bestimmte auch, was nötig war, um den Bumerang zu brechen. Um zu funktionieren, erfordert der Bumerang-Effekt eine Zeitumkehrsymmetrie, was bedeutet, dass sich die Teilchen mit fortschreitender Zeit genauso verhalten müssen wie beim Zurückspulen. Indem sie das Timing des ersten Kicks der Laser so veränderten, dass das Kick-Muster versetzt war, brachen die Forscher die Zeitumkehrsymmetrie und der Bumerang-Effekt verschwand wie erwartet.
„Ich war so glücklich“, sagt Patrizia Vignolo, Co-Autorin der Studie. „Es stimmte perfekt überein“ mit ihren theoretischen Berechnungen, sagt Vignolo, theoretischer Physiker an der Université Côte d’Azur in Valbonne, Frankreich.
Obwohl Anderson seine Entdeckung über lokalisierte Teilchen vor mehr als 60 Jahren machte, ist der Quantenbumerangeffekt ein relativer Neuling in der Physik. „Anscheinend hat niemand darüber nachgedacht, wahrscheinlich weil es sehr kontraintuitiv ist“, sagt der Physiker Dominique Delande vom CNRS und dem Labor Kastler Brossel in Paris, der prognostizierte den Effekt mit Kollegen im Jahr 2019.
Der seltsame Effekt ist das Ergebnis der Quantenphysik. Quantenteilchen wirken wie Wellen mit Wellen, die auf komplizierte Weise addieren und subtrahieren können (SN: 03.05.19). Diese Wellen verstärken zusammen die Flugbahn, die ein Teilchen zu seinem Ursprung zurückbringt, und heben Flugbahnen auf, die in andere Richtungen verlaufen. „Es ist ein reiner Quanteneffekt“, sagt Delande, „daher gibt es in der klassischen Physik keine Entsprechung.“