(Verreson et al., Nature Physics, 2019) Nichts hält ewig. Menschen, Planeten, Sterne, Galaxien, vielleicht sogar das Universum selbst, alles hat ein Verfallsdatum. Aber Dinge im Quantenbereich Befolgen Sie nicht immer die Regeln . Das haben Wissenschaftler herausgefunden Quasiteilchen in Quantensystemen könnte praktisch unsterblich sein.
Das bedeutet nicht, dass sie nicht verfallen, was beruhigend ist. Aber einmal diese Quasiteilchen haben Nachdem sie verfallen sind, sind sie in der Lage, sich wieder neu zu organisieren, möglicherweise bis ins Unendliche.
Dies widerspricht scheinbar dem Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik , die besagt, dass sich die Entropie in einem isolierten System nur in eine zunehmende Richtung bewegen kann: Dinge können nur zusammenbrechen, sich aber nicht wieder aufbauen.
Natürlich kann die Quantenphysik mit den Regeln seltsam werden; Aber selbst Quantenwissenschaftler wussten nicht, dass Quasiteilchen auf diese besondere Weise seltsam sind.
„Bisher ging man davon aus, dass Quasiteilchen in wechselwirkenden Quantensystemen nach einer gewissen Zeit zerfallen.“ sagte der Physiker Frank Pollman von der Technischen Universität München bereits im Juni 2019.
„Wir wissen jetzt, dass das Gegenteil der Fall ist: Starke Wechselwirkungen können den Zerfall sogar ganz stoppen.“
Quasiteilchen sind keine Teilchen, wie wir sie uns normalerweise vorstellen, wie Elektronen und Quarks. Es handelt sich vielmehr um Störungen oder Anregungen in einem Festkörper, die durch elektrische oder magnetische Kräfte verursacht werden, die sich zusammen wie Teilchen verhalten.
Phononen – die diskreten Einheiten der Schwingungsenergie, die zum Beispiel die Atome in einem Kristallgitter zum Schwingen bringen – werden oft als Quasiteilchen klassifiziert Polaronen , Elektronen, die in einem Gitter gefangen sind und von einer Polarisationswolke umgeben sind.
Die an dieser aktuellen Studie beteiligten Forscher entwickelten numerische Methoden zur Berechnung der komplexen Wechselwirkungen dieser Quasiteilchen und führten Simulationen auf einem leistungsstarken Computer durch, um zu beobachten, wie sie zerfallen.
„Das Ergebnis der aufwändigen Simulation: Zwar zerfallen Quasiteilchen, aus den Trümmern entstehen jedoch neue, identische Teilcheneinheiten.“ sagte der Physiker Ruben Verresen der Technischen Universität München und des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme.
„Wenn dieser Zerfall sehr schnell voranschreitet, kommt es nach einer gewissen Zeit zu einer umgekehrten Reaktion und die Trümmer werden wieder zusammenlaufen.“ Dieser Prozess kann sich endlos wiederholen und es entsteht ein anhaltendes Oszillieren zwischen Verfall und Wiedergeburt.'
Und, so betonten die Physiker, es verstößt nicht gegen das zweite Gesetz von Thermodynamik schließlich. Das liegt daran, dass die Schwingung eine Welle ist, die in Materie umgewandelt wird, was unter das quantenmechanische Konzept fällt Welle-Teilchen-Dualität .
Ihre Entropie nimmt nicht ab, sondern bleibt konstant. Das ist immer noch ziemlich seltsam, aber nicht physikbrechend seltsam.
Tatsächlich hat die Entdeckung einige andere Probleme gelöst. Es gibt zum Beispiel eine magnetische Verbindung Ba 3 CoSb 2 Ö 9 in Experimenten verwendet, die sich zuvor als unerwartet stabil erwiesen haben. Nun sieht es so aus, als ob der Schlüssel die darin enthaltenen magnetischen Quasiteilchen sein könnten Magnonen . Der Simulation zufolge ordnen sie sich nach dem Zerfall neu an.
Ein weiteres mögliches Beispiel ist Helium: Es wird bei einer Temperatur des absoluten Nullpunkts zu einem widerstandsfreien Superfluid, und diese besondere Eigenschaft könnte durch die Tatsache erklärt werden, dass dieses Gas voller sogenannter Quasiteilchen ist roton .
Im Moment ist die Arbeit nur im theoretischen Bereich, aber die Forscher glauben daran Quasiteilchen Unsterblichkeit verleiht ihm ein starkes Potenzial für eine dauerhafte Datenspeicherung Quanten-Computing Systeme.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .
Eine Version dieses Artikels wurde erstmals im Juni 2019 veröffentlicht.