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In der makroskopischen Alltagswelt
des Menschen herrscht oft "deterministisches Chaos": Wie sich Wetter-
und Strömungsverhältnissen in Zukunft entwickeln, wie sich
Himmelskörper bewegen oder wie eine Insektenpopulation wächst, das
lässt sich exakt in Formeln beschreiben, diese Vorgänge sind
"deterministisch". Doch wie sie sich entwickeln, das hängt zugleich
sehr empfindlich von den Startwerten ab. Schon der geringste Fehler
bei der Messung des Ausgangszustandes kann eine langfristige
Vorhersage unmöglich machen - Physiker sprechen davon, die Vorgänge
seien "chaotisch".
Auch mikroskopische Vorgänge
können sehr komplex sein. Doch die Quantenmechanik schließt ein
"deterministisches Chaos" für Welt der Atome strikt aus - unter
anderem deshalb, weil sich quantenmechanische Systeme
nichtdeterministisch aus vielen gleichzeitigen Anfangszuständen
entwickeln. In der Quantenchaosforschung suchen Physiker daher in der
Welt der Quanten nach Entsprechungen zum deterministischen Chaos der
Alltagswelt. So erforschen Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für
Quantenoptik quantenmechanische Systeme, die nach den Regeln der
makroskopischen Physik deterministisch chaotisch wären.
Den Wissenschaftlern um Gernot
Stania und Herbert Walther gelang jetzt der erste experimentelle
Nachweis von Quantenchaos in einem System, in dem sich die
Bestandteile während des Experiments im Prinzip beliebig weit in alle
Richtungen entfernen können. Sie griffen dabei auf ein historisches
Experiment zurück: Einen Versuch zum Nachweis des Fotoeffektes, bei
dem Elektronen aus einem Metall freigesetzt werden, sobald man sie mit
Licht bestrahlt.
Klassisch wird dabei eine
elektrische Spannung an zwei gegenüberliegende Metallplatten angelegt,
von denen eine mit einem Alkalimetall überzogen ist. Das Alkalimetall
bestrahlt man mit Licht einer bestimmten Frequenz (und damit Energie).
Sobald die Energie ein bestimmtes Maß übersteigt, löst das Licht
Elektronen aus dem Metall heraus, die als elektrischer Strom
nachweisbar sind. Vor hundert Jahren veröffentlichte Albert Einstein
seine Erklärung für diesen Effekt, die entscheidend für die
Entwicklung der Quantentheorie wurde und 1921 mit dem Nobelpreis
ausgezeichnet wurde.
Die Wissenschaftler am
Max-Planck-Institut für Quantenoptik passten dieses Experiment an ihre
Bedürfnisse an: In der modernen Fassung wird das Alkalimetall nicht
auf eine Metallplatte aufgetragen, sondern fliegt als Strahl aus
einzelnen Rubidiumatomen durch den Versuchsaufbau (vgl. Abb. 1). Die
Atome werden dort einem elektrischen Feld und einem starken Magnetfeld
ausgesetzt. Wie beim historischen Experiment bestrahlt man nun die
Atome mit Licht einer bestimmten Frequenz, das aus den Atomen
Elektronen herauslösen kann. Dieser Strom aus Elektronen wird in
Abhängigkeit von der Lichtfrequenz gemessen.
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Abb. 1:
Die einzelnen Atome aus
dem Rubidium-Atomstrahl fliegen durch eine quaderförmige
Anordnung. Darin herrschen zugleich ein starkes magnetisches und
ein elektrisches Feld: Magnetspulen erzeugen ein Magnetfeld, und
zwischen der inneren Elektrode (orange) und der Mantelelektrode
(grün) besteht ein elektrisches Feld. Das Laserlicht, das den
Fotoeffekt auslöst, hat eine einstellbare Frequenz. Die Messung
des Fotoeffekts erfolgt in drei Schritten: (1) Jedes durch den
Laserstrahl fliegende Atom schluckt mit einer gewissen
Wahrscheinlichkeit, die von der Lichtfrequenz abhängt, ein Photon
aus dem Laserstrahl. Dabei zerfällt es in ein (Photo-)Elektron und
ein Rubidiumion. (2) Unter dem Einfluss des Magnetfelds und des
elektrischen Felds bewegen sich die Photoelektronen um die innere
Elektrode. Wenn die Felder die geeignete Form besitzen, verlassen
die Elektronen die quaderförmige Anordnung bei der roten Elektrode
und werden so räumlich von den Rubidiumionen getrennt. (3) Während
Rubidiumionen und nicht zerfallene Rubidiumatome von einem
Metallzylinder aufgefangen werden, trifft der aus den
Photoelektronen bestehende Photostrom auf einen Detektor und wird
dort nachgewiesen.
Bild: Max-Planck-Institut für Quantenoptik |
Mit dem Magnetfeld, dem
elektrischen Feld und den elektrostatischen Kräften im Atom (Anziehung
von Protonen und Elektronen) wirken drei unterschiedliche Kräfte auf
die (Leucht-)Elektronen in den Rubidium-Atomen, die jeweils sehr
unterschiedliche Elektronenbewegungen hervorrufen. Solange eine dieser
Kräfte überwiegt, ist die Bewegung des Elektrons einfach und nicht
chaotisch - das ist beispielsweise der Fall, wenn das Elektron noch
kein Laserlicht absorbiert hat und sich in der Nähe des Atomkerns
aufhält. Doch in dem Moment, in dem das Elektron ein Lichtteilchen
aufnimmt, gerät es in einen energetisch höheren Zustand, und damit
stärker in den Einfluss des äußeren elektromagnetischen Feldes - und
seine Bewegung wird chaotisch. Im Zuge dieser Bewegung entfernt es
sich immer weiter vom Kern, bis es frei ist.
Das Chaos in der Bewegung zeigt
sich darin, dass der Strom aus Elektronen in einer bestimmten Weise
schwankt, und zwar passend zur Energie der Lichtteilchen; diese
Schwankung wird auch als Ericson-Fluktuation bezeichnet. Den Forschern
gelang es nicht nur, die Ericson-Fluktuation nachzuweisen, sie konnte
darüber hinaus auch mit Hilfe des Versuchaufbaus über die Stärke des
elektrischen und magnetischen Feldes einstellen, wie chaotisch sich
das System nach den Regeln der makroskopischen Physik verhält. Damit
konnten sie den Zusammenhang zwischen deterministischem Chaos und den
Fluktuationen des Photostroms nachweisen: Je chaotischer das System
nach den Regeln der makroskopischen Physik reagierte, desto stärker
waren die gemessenen Fluktuationen. |
