Viscous hydrodynamics from correlated losses

In der stillen Welt der ultrakalten Atome untersuchen Wissenschaftler, wie Kollektionen von Teilchen reagieren, wenn sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Normalerweise hängt davon ab, ob ein Gas wie eine Flüssigkeit fließt oder sich wie ein Strom unabhängiger Projektile bewegt, wie oft die Teilchen miteinander kollidieren. Wenn die Teilchen selten kollidieren, fliegen sie in geraden Linien und behalten ihre Geschwindigkeit und Richtung bei, bis sie auf den Rand ihres Behälters treffen. Dies ist das Verhalten eines idealen Gases. Wenn die Teilchen jedoch häufig kollidieren, tauschen sie ständig Impuls und Energie aus, was die Gruppe dazu zwingt, sich in ein lokales Gleichgewicht einzupendeln, in dem sich Wärme und Bewegung gleichmäßig ausbreiten. Dies ist das Verhalten einer Flüssigkeit, die durch Eigenschaften wie die Viskosität bestimmt wird, welche misst, wie dick oder widerstandsfähig eine Flüssigkeit gegenüber dem Fließen ist. Jahrzehntelang haben Forscher diese flüssigkeitsähnlichen Zustände geschaffen, indem sie die Kräfte zwischen den Atomen so abstimmten, dass sie stark interagieren, sodass Kollisionen so oft stattfinden, wie die Quantenmechanik es erlaubt.

Aber was, wenn das Gas keinerlei Kräfte zwischen seinen Teilchen hat? Was, wenn es ein perfektes, ideales Gas ist, in dem Atome sich niemals berühren sollten? Lange Zeit schien die Antwort offensichtlich: Oh ohne Kollision kann es keinen Flüssigkeitsfluss geben. Doch eine neue Studie von Forschern der Universität Konstanz legt nahe, dass selbst in einem Gas ohne interne Wechselwirkungen eine Flüssigkeit entstehen kann, wenn das System Teilchen auf eine spezifische Weise verliert. Der Schlüssel liegt nicht darin, was die Teilchen untereinander tun, sondern darin, wie sie verschwinden. Wenn Atome aus einer Falle verloren gehen, verschwinden sie normalerweise einzeln, was die Bewegung der Überlebenden nicht verändert. Wenn Atome jedoch nur verloren gehen, wenn sie sich paarweise treffen, erzwingt der Akt des Verschwindens, dass sie miteinander interagieren. Diese kontraintuitive Entdeckung zeigt, dass der Verlust selbst die Kollisionen konstruieren kann, die notwendig sind, um ein Gas in eine fließende Flüssigkeit zu verwandeln.

Die Forscher konzentrierten sich auf ein Gas aus Atomen, die nicht miteinander interagierten, was bedeutete, dass sie keine natürliche Tendenz hatten, voneinander abzuprallen oder abzustreifen. In einem typischen Experiment würde ein solches Gas einfach auseinanderdriften oder zerfallen, wenn Teilchen entfernt würden. Die Forscher betrachteten jedoch ein Szenario, in dem Teilchen nur dann entfernt werden, wenn zwei von ihnen zur gleichen Zeit am gleichen Ort sind. Dies ist als Zwei-Körper-Verlust bekannt. Dies geschieht in realen Experimenten, wenn zwei Atome kollidieren und zusammenkleben, um ein Molekül zu bilden, das aus der Falle fliegt, oder wenn sie chemisch reagieren und das System verlassen. Die Forscher fanden heraus, dass diese Anforderung, dass ein Paar vorhanden sein muss, einen verborgenen Mechanismus schafft. Da der Verlustprozess Paare entfernt, zwingt er die verbleibenden Atome effektiv dazu, von einander abzuprallen, um nicht verloren zu gehen.

Dieses Phänomen beruht auf einer fundamentalen Regel der Quantenphysik, dem optischen Theorem, das die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen absorbiert wird, mit der Wahrscheinlichkeit verknüpft, dass es gestreut wird. In diesem Fall ist die „Absorption“ der Verlust des Paares aus der Falle. Das Theorem schreibt vor, dass, wenn ein Prozess ein Paar entfernen kann, er auch bewirken muss, dass einige Paare elastisch voneinander abprallen und dadurch die Richtung ändern, ohne verloren zu gehen. Normalerweise ist diese elastische Streuung ein winziger Nebeneffekt im Vergleich zum Verlust. Die Forscher zeigten jedoch, dass die Situation sich umkehrt, wenn der Verlust sehr stark ist. Der starke Verlust wirkt wie eine kontinuierliche Messung, die ständig prüft, ob zwei Atome nah beieinander sind. Dieses „Beobachten“ hält die Atome auf Distanz, verhindert, dass sie verloren gehen, aber maximiert gleichzeitig die Chance, dass sie voneinander abprallen. Das Ergebnis ist ein Gas, in dem Kollisionen vollständig durch die Bedrohung des Verlusts angetrieben werden, statt durch eine inhärente Kraft zwischen den Atomen.

Das Team berechnete, wie sich dieses Gas über die Zeit verhalten würde, und fand heraus, dass es genau wie die kollisionsreichsten Flüssigkeiten der Natur fließt, wie etwa das unitäre Fermi-Gas, das berühmt für seine niedrigstmögliche Viskosität ist. In ihrem Modell entwickelte das Gas eine Viskosität und Wärmeleitfähigkeit, die sich diesen extremen Grenzwerten näherten, obwohl die Atome keine intrinsische Anziehung oder Abstoßung besaßen. Während das Gas langsam Teilchen verlor, heizte es sich auch auf. Die Forscher entdeckten ein präzises Muster in dieser Erwärmung: Die Temperatur und die Dichte änderten sich über die Zeit nach einer universellen Regel, wobei sie mit einem spezifischen Exponenten von drei Achtel wachsen oder schrumpfen. Das bedeutet, dass mit der Ausdünnung und Erwärmung des Gases auch dessen Fähigkeit zu fließen und Wärme zu leiten in einer vorhersagbaren Weise zunahm, die nicht durch die Stärke des Verlusts, sondern durch die fundamentalen Grenzen der Quantenmechanik diktiert wurde.

Diese Untersuchung stellt die traditionelle Sichtweise infrage, dass Flüssigkeitsverhalten starke, kohärente Wechselwirkungen zwischen Teilchen erfordert. Stattdessen demonstriert sie, dass konstruktive Dissipation – die sorgfältige Gestaltung der Art und Weise, wie ein System Energie oder Teilchen verliert – die sehr Kollisionen erschaffen kann, die eine Flüssigkeit ausmachen. Die Forscher betonten, dass dieser Effekt am ausgeprägtesten ist, wenn der Verlust stark genug ist, um das Verhalten des Systems zu dominieren, und das Gas in ein Regime drängt, in dem es sich verhält, als befände es sich am „unitären Limit“, dem Punkt der maximal möglichen Wechselwirkung, die durch die Quantengesetze erlaubt ist. Sie merkten an, dass dies sowohl für Bosonen als auch für Fermionen gilt, vorausgesetzt, das Gas ist nicht so dicht, dass die Quantenstatistik die Oberhand gewinnt.

Die Studie legt nahe, dass Wissenschaftler diesen Mechanismus nutzen können, um die Fluiddynamik in Systemen zu erschaffen und zu untersuchen, in denen Wechselwirkungen ansonsten nicht vorhanden sind. Durch die Abstimmung der Rate, mit der Paare von Atomen verloren gehen, könnten Forscher potenziell den Fluss von Quantenmaterie steuern, ohne Magnetfelder abstimmen zu müssen, um starke Kräfte zu erzeugen. Dies eröffnet einen neuen Weg zur Erforschung des Transports in Quantenmaterialien, wobei der Verlust nicht länger als ein Ärgernis gesehen wird, das Experimente ruiniert, sondern als eine Ressource, die genutzt werden kann, um neue Materiezustände aufzubauen. Die Arbeit liefert einen klaren theoretischen Rahmen dafür, wie dieser Effekt in Ultrakaltatom-Experimenten beobachtet werden kann, und weist auf spezifische Bedingungen hin, unter denen das Gas von einem ballistischen, nicht-wechselwirkenden Zustand in eine hydrodynamische Flüssigkeit übergeht, die allein durch den Akt des Teilchenverlusts angetrieben wird.