Überblick

Phasensprünge in der Zeit

In Quantenvielteilchensystemen reicht allein die zeitliche Entwicklung aus, um ein dynamisches Analogon zu Phasenübergängen hervorzurufen.

  • Markus Heyl und Jan Carl Budich
  • 06 / 2018 Seite: 37

Phasenübergänge sind uns aus dem Alltag wohlbekannt: Eis schmilzt in der Sonne, Teewasser kocht im Kessel. Doch diese Phasenumwandlungen dauern ihre Zeit. Anders in der Quantenwelt: Dort kann ein Vielteilchensystem allein durch zeitliche Entwicklung dynamisch ein Analogon zu einem Phasenübergang durchlaufen, wobei sich gewisse physikalische Größen schlagartig in der Zeit ändern.

Makroskopische physikalische Systeme zeigen ein bemerkenswert universelles Verhalten. Unabhängig davon, in welchem Zustand sie anfänglich vorliegen, finden sie sich nach ausreichend langer Wartezeit in einer bestimmten Klasse von Zuständen wieder − dem thermodynamischen Gleichgewicht. Entscheidend für das Erreichen eines Gleichgewichtszustandes ist die Ergodizität des Systems, also im Wesentlichen seine Fähigkeit, beliebige Zustände, die mit den Werten weniger Erhaltungsgrößen im Anfangszustand kompatibel sind, dynamisch zu erreichen. Die Theorie der Vielteilchensysteme ist bemerkenswert erfolgreich darin, solche Gleichgewichtszustände zu beschreiben und zu verstehen. Experimentelle Fortschritte haben jedoch in jüngerer Zeit neue Möglichkeiten eröffnet, bisher unerreichte Einblicke in die Dynamik von Zuständen jenseits des Gleichgewichts in quanten­mechanischen Vielteilchensystemen zu gewinnen. Die dort untersuchten Systeme sind so hermetisch von ihrer Umgebung isoliert, dass sie über lange Zeit eine nahezu perfekt quantenmechanisch kohärente Dynamik fernab des Gleichgewichts zeigen, anstatt rasch zu thermalisieren, also dynamisch dem thermodynamischen Gleichgewicht entgegenzustreben. Das Fehlen bewährter theoretischer Zugänge für solche Szenarien macht es schwierig, sie systematisch und allgemein zu beschreiben.
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