An der Universität Basel ist Physikern ein Brückenschlag zwischen zwei grundverschiedenen Theorien gelungen. Die Forschungsgruppe von Professor Patrick Potts hat einen theoretischen Ansatz vorgestellt, der die klassische Thermodynamik des 19. Jahrhunderts mit der modernen Quantenphysik in Einklang bringt. Im Zentrum steht die Frage, was in einer winzigen Maschine aus einem einzelnen Atom und Lichtteilchen als Wärme gilt und was als nutzbare Arbeit. Die Arbeit von Postdoc Marcelo Janovitch und Kollegen erschien im Fachjournal Physical Review Letters und liefert die Grundlage, um Quanteneffekte gezielt für präzise Messungen nutzbar zu machen.
- Forschende der Universität Basel verknüpfen Thermodynamik und Quantenphysik in einem konsistenten Modell.
- Untersucht wird ein einzelnes Atom in einem Spiegel-Hohlraum, das Lichtteilchen aufnimmt und abgibt.
- Der Ansatz erklärt, wie reduzierte Fluktuationen des Lichts als Ressource für Quantentechnologien dienen können.
Gerade die theoretische Physik liefert das Fundament, auf dem später praktische Anwendungen etwa in der Messtechnik aufbauen.
Warum zwei Theorien überhaupt aufeinandertreffen
Die Thermodynamik wurde im 19. Jahrhundert entwickelt, um das Funktionsprinzip grosser Dampfmaschinen zu erklären. Die Quantenphysik befasste sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit den Eigenschaften von Atomen und subatomaren Teilchen. Unterschiedlicher könnten zwei physikalische Theorien kaum sein. Dennoch begegnen sie sich in modernen Quantentechnologien wieder: Kleinste Systeme aus Atomen und Lichtteilchen können Energie aufnehmen, umwandeln und wieder abgeben – und wirken damit wie winzige Maschinen.
Die Herausforderung besteht darin, eine Beschreibung zu finden, die sowohl für ein vollständig quantenmechanisches System funktioniert als auch im sogenannten semiklassischen Grenzfall. In diesem Grenzfall wird ein Teil des Systems quantenmechanisch behandelt, während für den anderen Teil die klassische Physik genügt.
Ein Atom als winzige Lichtmaschine
„Unsere Berechnungen betreffen das konkrete physikalische Modell eines Atoms, das in einem Hohlraum zwischen zwei Spiegeln platziert ist, wo es Lichtteilchen aufnehmen und abgeben kann“, erklärt Marcelo Janovitch. Ein Laser pumpt fortwährend zusätzliche Photonen in den Hohlraum, während Licht durch die teilweise reflektierenden Spiegel wieder nach aussen entweichen kann.
„Das ist ein Lehrbuchbeispiel für ein sogenanntes getriebenes dissipatives System, das ständig Energie erhält und gleichzeitig an die Umgebung verliert“, so der Forscher. Das Atom verhält sich dabei ähnlich wie eine winzige Wärmekraftmaschine – oder in diesem Fall eine „Lichtmaschine“.
Potts und seine Mitarbeitenden hatten bereits gezeigt, dass die aus dem Hohlraum entweichenden Lichtteilchen nicht generell als „Abwärme“ zu betrachten sind – ein Teil ihrer Energie kann noch nützliche Arbeit an einem anderen Quantensystem verrichten.
Wie sich der Grenzfall sauber ableiten lässt
Im semiklassischen Grenzfall wird das Atom weiterhin als Quantensystem mit diskreten Energieniveaus betrachtet, das Licht dagegen als klassische elektromagnetische Welle. „Das Licht klassisch zu behandeln, macht es viel einfacher zu definieren, welcher Teil der Energie für Arbeit genutzt werden kann und welcher Teil ungeordnete Wärme ist“, sagt Janovitch. Entscheidend ist, dass sich dieser Grenzfall konsistent aus der quantenthermodynamischen Beschreibung ableiten lassen muss.
Genau das konnten die Forschenden nun mathematisch zeigen. Ihr Ansatz, bei dem ein Teil des emittierten Lichts als Arbeit gezählt wird, lässt sich problemlos in den semiklassischen Grenzfall überführen. Mit der herkömmlichen Methode, die alle entweichende Energie als Wärme betrachtet, gelingt dies dagegen nicht.
Reduzierte Fluktuationen als Ressource für die Messtechnik
Die Berechnungen sagen zudem korrekt voraus, wie Quanteneffekte zu einer Verringerung der Fluktuationen der Lichtteilchen führen. Diese reduzierten Schwankungen sind für Anwendungen in Quantentechnologien besonders interessant. Sie ermöglichen es, Wärme – die normalerweise zu Störungen in Quantensystemen führt – gezielt als Ressource zu nutzen.
So lassen sich etwa bestimmte Lichtzustände erzeugen, die für besonders präzise Messungen in der Quantenmetrologie eingesetzt werden können. Für die Praxis bedeutet dies, dass ein bisher als reine Störgrösse geltender Effekt künftig ein Werkzeug werden könnte – ein Ansatz, der für die Weiterentwicklung hochempfindlicher Messverfahren von Bedeutung sein dürfte.
Sollte die Grundlagenforschung zu Quantentechnologien im deutschsprachigen Raum stärker gefördert werden? Teilen Sie Ihre Sicht in den Kommentaren.
