Von der Unordnung zur Ordnung: Vogelschwärme und "spinnende" Teilchen

Physiker untersuchen seit langem, wie Energie und Bewegung in Materialien entstehen, wenn Komponenten auf neue Weise zusammenwirken. Jetzt erforschen sie eine noch seltsamere Grenze: wie Energie und Ordnung spontan auf der Quantenskala aus Nicht-Gleichgewichts-Wechselwirkungen entstehen können. In einer neuen Studie haben japanische Forscher ein Phänomen aufgedeckt, das sie als "quantenaktive Materie" bezeichnen, und festgestellt, dass es eine Art Schwarmverhalten zeigt, das rein durch Quantenmechanik und nicht-hermitsche Dynamik angetrieben wird. Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht wurden, zeigen, wie eine Quantenversion von Flocking ohne explizite ausrichtende Wechselwirkungen entstehen kann - und verschieben damit die Grenzen unseres Verständnisses von emergentem Verhalten auf kleinster Ebene.

Wie ihr klassisches Gegenstück, die so genannte "aktive Materie", besteht die quantenaktive Materie aus vielen interagierenden Teilen, die einzeln Energie verbrauchen und abgeben. Aber im Gegensatz zu klassischen Systemen verhält sich quantenaktive Materie nach den seltsamen Regeln der Quantenmechanik und nicht nach der klassischen Newtonschen Mechanik. "In klassischer aktiver Materie gibt es selbstangetriebene Teilchen wie Vögel, die sich zusammenrotten", erklärt der leitende Forscher Kazuaki Takasan von der Universität Tokio. "In unserem Quantensystem sind die 'Teilchen' eigentlich Quantenbits, die mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können. Und ihre Bewegung wird nicht durch klassische Trajektorien, sondern durch die komplexe Dynamik von Quantenwellenfunktionen bestimmt."

Frühere Forscher hatten das Konzept der quantenaktiven Materie theoretisch eingeführt und gezeigt, wie sich klassische Phänomene wie die bewegungsinduzierte Phasentrennung auf der Quantenskala manifestieren können. Takasan und seine Mitarbeiter Kyosuke Adachi und Kyogo Kawaguchi wollten jedoch emergentes Verhalten direkt beobachten, das ausschließlich durch eine quantenmechanische Nichtgleichgewichtsdynamik angetrieben wird, ohne dass eine Analogie zu einem klassischen System besteht. "Wir wollten seltsame neue Zustände der Materie erforschen, die kein klassisches Gegenstück haben", sagt Takasan.

Das Team entwickelte ein theoretisches Modell eindimensionaler "Quantenspins" - Quantenbits, die entweder nach oben oder nach unten zeigen können -, die sich in einer Linie bewegen und miteinander interagieren. Sie führten zwei Schlüsselkomponenten ein, die in klassischen Systemen mit aktiver Materie nicht vorhanden sind: Quantentunneln zwischen Spin-Zuständen und asymmetrisches, spin-abhängiges Springen zwischen Orten, das durch Dissipation angetrieben wird. "Dissipation wird normalerweise als etwas gesehen, das Quanteneffekte zerstört", bemerkt Adachi. "Aber hier nutzen wir sie konstruktiv, um neue emergente Verhaltensweisen hervorzurufen."

Bei der Simulation der Quantendynamik dieser "quantenaktiven Spin-Kette" auf einem Computer beobachteten die Forscher einen spontanen Übergang zu einer seltsamen neuen Materiephase. Selbst ohne explizite Ausrichtungswechselwirkung zwischen den Spins entwickelte das System spontan eine ferromagnetische Ordnung mit großer Reichweite - alle Spins zeigten in der gesamten Kette in die gleiche Richtung. "Wir waren überrascht, dass sich die Kette allein durch das Zusammenspiel von Quantentunneln, Wechselwirkungen und Dissipation zusammenfügte", sagt Kawaguchi.

Um den Mechanismus zu verstehen, wies das Team nach, dass die Dissipation immer die Energie von Quantenzuständen erhöht, in denen die Spins zufällig aufeinander zeigen, während der ferromagnetisch ausgerichtete Zustand unverändert bleibt. Sie lösten auch den vereinfachten Fall von nur zwei wechselwirkenden Spins und fanden heraus, dass die Dissipation die Spins dazu veranlasst, sich eng aneinander zu binden und eine Art quantengebundenen Zustand zu bilden. "In der paramagnetischen Phase, in der die Spins zufällig ausgerichtet sind, begünstigt die Dissipation die Konfiguration des gebundenen Zustands und treibt das System zur ferromagnetischen Ordnung", erklärt Takasan.

Die Forscher entwickelten eine einfache Theorie des mittleren Feldes, die den Energievorteil des gebundenen Zustands mit zwei Spins berücksichtigt. Diese Theorie beschreibt qualitativ denselben ferromagnetischen Phasenübergang, der in den vollständigen Simulationen beobachtet wurde. "Unsere Mittelfeldtheorie zeigt, dass die Entstehung der langreichweitigen Ordnung letztlich aus den kurzreichweitigen gebundenen Zuständen resultiert, die lokal durch Dissipation induziert werden", sagt Adachi. Ihre Arbeit bietet einige der ersten Einblicke in die Art und Weise, wie Fluktuationen, Korrelationen und kollektives Verhalten spontan allein durch Quanten-Nichtgleichgewichtsdynamik entstehen können.

Das hier aufgedeckte Phänomen des "Quantum Flocking" liegt jenseits der Grenzen herkömmlicher Quanten-Phasenübergänge, da es auf die komplexe nicht-hermitsche Natur der Systemdynamik zurückzuführen ist. Als solches könnte es neuen Arten von kritischem Verhalten entsprechen, die nicht durch gewöhnliche kritische Quantenpunkte beschrieben werden. Das Team hofft nun, größere Systeme mit Hilfe von Tensornetztechniken zu simulieren, um zu erforschen, ob der Übergang im thermodynamischen Limit kontinuierlich bleibt und wie sich die kritischen Exponenten von Standardmodellen unterscheiden können.

"Es war zunächst überraschend, dass die Ordnung ohne aufwendige Interaktionen zwischen den Akteuren im Quantenmodell auftreten kann. Das war anders als das, was man auf der Grundlage biophysikalischer Modelle erwartet hatte.

Kazuaki Takasan

Die Forscher stellen außerdem fest, dass ihre Arbeit auf mögliche Realisierungen in programmierbaren Quantensimulatoren unter Verwendung kalter atomarer Gase hinweist. Sowohl Zweikomponenten-Quantengase als auch spinabhängiges Hopping wurden bereits experimentell realisiert. "Unsere Theorie zeigt, wie Quantenflocking prinzipiell beobachtet werden könnte, indem man die Dissipation in ein optisches Gitterpotential einbaut", sagt Takasan. Im weiteren Sinne zeigen die Ergebnisse, wie eine feine Kontrolle über Nichtgleichgewichtsfluktuationen auf der Quantenskala die gerichtete Selbstorganisation komplexer Strukturen ermöglichen könnte - ein Weg zur Realisierung neuer aktiver Quantenmaterialien mit emergenten Funktionen.

Die Quantensimulation und die künstliche Intelligenz beschleunigen die Entdeckungen im Kleinstmaßstab, und die Wissenschaftler dringen immer tiefer in unerforschte Gebiete vor, in denen sich Quanten-, Nichtgleichgewichts- und kollektive Phänomene überschneiden. Die Arbeit von Takasan, Adachi und Kawaguchi zeigt, wie sich selbst in idealisierten Quantensystemen durch das Zusammenspiel von Quantenfluktuationen und Nicht-Gleichgewichtsprozessen eine seltsame makroskopische Ordnung entwickeln kann. Ihre Entdeckung des Quantum Flocking deutet auf ein weites, unerforschtes Gebiet hin, in dem Synchronität, Flocking und andere kollektive Verhaltensweisen spontan aus der verrauschten Dynamik vieler Quantenkomponenten entstehen können. Mit den Fortschritten in der Quantentechnologie könnten solche Phänomene eines Tages die Grundlage für die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien bilden, deren Funktionalität sich aus kooperativen Fluktuationen auf kleinstem Raum ergibt.

Hinweis(e)

1. Kazuaki Takasan, Kyosuke Adachi, Kyogo Kawaguchi. Aktivitätsinduzierter Ferromagnetismus in eindimensionalen Quantenvielkörpersystemen. Physical Review Research, 2024; 6 (2) DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023096

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