Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

Wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert, wie etwa Wasser, das zu Eis gefriert, geschieht dies nicht immer überall gleichzeitig und perfekt. Stattdessen beginnt dieser Übergang oft in kleinen Taschen, die wachsen und schließlich miteinander verschmelzen. Wenn dieser Übergang schnell erfolgt, können sich die verschiedenen Taschen nicht darüber einigen, wie sie sich anordnen sollen, wodurch dauerhafte Narben oder Defekte an den Stellen zurückbleiben, an denen sie kollidieren. In der Quantenwelt, in der Teilchen sich wie Wellen verhalten, können diese Defekte als winzige Wirbel, sogenannte Vortizes, erscheinen. Jahrzehntelang haben sich Physiker auf einen Satz von Regeln verlassen, der als Kibble-Zurek-Mechanismus bekannt ist, um vorherzusagen, wie viele dieser Wirbel entstehen werden. Dieser Rahmen legt nahe, dass die Geschwindigkeit der Veränderung die Anzahl der Defekte bestimmt: Eine schnellere Änderung hinterlässt mehr Narben, während eine langsamere Änderung das System ermöglicht, sich friedlicher einzupendeln. Diese Idee wurde in vielen verschiedenen Systemen getestet und bestätigt, von Superfluiden bis hin zu frühen Modellen des Universums, was sie zu einem Eckpfeiler unseres Verständnisses macht, wie Ordnung aus dem Chaos entsteht.

Eine neue Studie deutet jedoch darauf hin, dass diese lang gehegte Regel eine erhebliche Schwachstelle hat. Forscher haben entdeckt, dass sich die Spielregeln völlig ändern, wenn der Behälter, der die Quantenflüssigkeit hält, rotiert. Durch die Simulation der Entstehung eines Bose-Einstein-Kondensats – ein seltener Materiezustand, in dem Atome wie eine einzige Quantenwelle agieren – in einer rotierenden Falle fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Rotation des Behälters die üblichen Vorhersagen außer Kraft setzt. Anstatt dass die Anzahl der Wirbel davon abhängt, wie schnell der Übergang erfolgte, erzwingt die Rotation, dass die Flüssigkeit eine spezifische Anzahl von Vortizes erzeugt, die der Rotationsgeschwindigkeit entspricht, unabhängig von der Abkühlrate. Dieser Befund stellt die Universalität des Kibble-Zurek-Mechanismus infrage und zeigt, dass eine einfache Drehung der Falle als eine Art Meistersteuerung für das Verhalten dieser Quantensysteme fungieren kann.

Die Forscher, die mit Computersimulationen einer zweidimensionalen Wolke aus Atomen arbeiteten, wollten untersuchen, was passiert, wenn dieses Quantengas abgekühlt wird, um ein Kondensat zu bilden, während der Behälter bereits rotiert. In ihrem ersten Szenario hielten sie die Rotationsgeschwindigkeit konstant, während sie die Bedingungen rapide änderten, um den Phasenübergang auszulösen. Sie beobachteten, dass die Drehbewegung eine starke Tendenz erzeugte, die die Bildung von Wirbeln begünstigte, die in dieselbe Richtung wie der Behälter rotierten, während solche, die in die entgegengesetzte Richtung rotierten, unterdrückt wurden. Infolgedessen wurde die Gesamtzahl der gebildeten Vortizes nicht durch die Geschwindigkeit des Kühlprozesses bestimmt, wie es die Standardtheorie vorhersagt. Stattdessen pendelte sich die Anzahl nahe einem Wert ein, der durch die Rotationsgeschwindigkeit selbst diktiert wird, eine Beziehung, die als Feynman-Onsager-Grenze bekannt ist. Je schneller die Falle rotierte, desto mehr Vortizes erschienen, und der übliche Zusammenhang zwischen Kühlgeschwindigkeit und Defektanzahl verschwand. Das System schien die „Freeze-out“-Zeit zu ignorieren, die normalerweise diese Übergänge steuert, und wurde stattdessen vom Drehimpuls der Falle angetrieben.

Um zu testen, ob dies ein grundlegender Bruch der Theorie oder ein spezifischer Effekt des Versuchsaufbaus war, versuchte das Team einen zweiten Ansatz. In dieser Version starteten sie mit einer nicht rotierenden Falle und erhöhten den Spin zur exakt gleichen Zeit, in der sie das Gas abkühlten. Dieses gleichzeitige Hochfahren von Rotation und Kühlung veränderte das Ergebnis signifikant. Als die Rotation zusammen mit der Kühlung langsam gesteigert wurde, verhielt sich das System viel mehr so, wie es die Standardtheorie vorhersagt. Die Anzahl der Vortizes folgte dem erwarteten Muster basierend auf der Kühlgeschwindigkeit, und die universellen Skalierungsgesetze hielten zumindest bei niedrigeren Rotationsgeschwindigkeiten stand. Dieser Vergleich bewies, dass der entscheidende Faktor nicht nur die Anwesenheit von Rotation war, sondern der Zeitpunkt, zu dem die Rotation vom System wahrgenommen wurde. Wenn die Atome direkt zu Beginn des Übergangs eine starke Drehung erfuhren, brachen die Standardregeln zusammen. Wenn die Rotation schrittweise eingeführt wurde, hatten die Atome Zeit zur Anpassung, und die universellen Gesetze blieben intakt.

Die Studie untersuchte auch, was nach Abschluss des Übergangs mit diesen Wirbeln geschah. In den Simulationen ordneten sich die Vortizes nicht in das perfekte, wabenartige Gitter ein, das Physiker als Abrikosov-Gitter bezeichnen – der ideale Zustand für ein rotierendes Superfluid. Stattdessen pendelten sie sich in einer ungeordneten, glasartigen Anordnung ein. Die Ränder des Behälters und die spezifische Anzahl der Vortizes erzeugten eine Art Frustration, die sie daran hinderte, eine perfekte Ordnung zu finden. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass sie die ungeordneten Wirbel durch das Hinzufügen einer sanften, externen Pinning-Kraft – wie etwa ein subtiles Lichtmuster, um die Atome an Ort und Stelle zu halten – dazu bewegen konnten, jenes perfekte, geordnete Gitter zu bilden. Dies deutet darauf an, dass, obwohl der natürliche Prozess des Abkühlens in einer rotierenden Falle zu Unordnung führt, ein wenig zusätzliche Führung ausreicht, um die ideale Struktur wiederherzustellen, selbst bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten.

Diese Erkenntnisse bieten eine neue Art und Weise, über die Kontrolle von Quantenmaterie nachzudenken. Die Studie zeigt, dass Rotation nicht nur eine passive Hintergrundbedingung ist, sondern ein aktives Werkzeug, mit dem man das Ergebnis eines Phasenübergangs steuern kann. Durch die Anpassung des Spins können Wissenschaftler wählen, ob sie den universellen Gesetzen der Defektbildung folgen oder das System in einen spezifischen Zustand zwingen, der durch den Drehimpuls vorgegeben ist. Diese Einsicht vertieft das Verständnis darüber, wie Symmetrie in der Quantenwelt gebrochen wird, und bietet einen praktischen Regler zur Manipulation der kritischen Dynamik von Bose-Einstein-Kondensaten. Die Ergebnisse, die aus detaillierten Computersimulationen unter Verwendung der stochastischen Gross-Pitaevskii-Gleichung gewonnen wurden, verdeutlichen, dass das Zusammenspiel zwischen den zufälligen Fluktuationen eines Kühlsystems und der makroskopischen Anforderung der Rotation einen komplexen Tanz aus Ordnung und Unordnung erzeugt, den die alten Regeln nicht vollständig vorhersehen konnten.