Quantenphysik: Mit komplexer Zeit verborgene Dynamik sichtbar machen

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Moderne Experimente nutzen zunehmend das Zusammenspiel von Quantensystemen und ihrer Umgebung, um exotische Vielteilchenzustände zu erzeugen und gezielt zu kontrollieren. Doch die mikroskopischen Mechanismen bleiben bei stark wechselwirkenden Systemen weitgehend verborgen. Der Grund ist überraschend grundsätzlicher Natur: Bei offenen Quantensystemen reicht es nicht aus, ihre Energieniveaus zu betrachten. Entscheidend ist vielmehr, wie sich das System gemeinsam mit seiner Umgebung verändert.

Diese Dynamik wird durch einen sogenannten Lindbladian beschrieben. Seine Eigenmodi bestimmen unter anderem, wie schnell verschiedene kollektive Anregungen des Systems abklingen, und sind damit insbesondere für das Verständnis dynamischer Eigenschaften relevant. Methoden, mit denen sich diese Wechselwirkung zwischen System und Umgebung für mehr als ein paar quantenmechanische Freiheitsgrade untersuchen lässt, beschränken sich bislang im Wesentlichen auf den stationären Zustand und in einigen Fällen auf die dissipative Lücke. Letztere beschreibt, wie schnell ein offenes Quantensystem nach einer Störung wieder zu seinem stationären Zustand zurückkehrt. Die physikalisch interessanten dynamischen (angeregten) Zustände bleiben dagegen unerreichbar, weil sie in den bisherigen Methoden exponentiell unterdrückt werden.

Das Team um LMU-Physiker Dr. Sebastian Paeckel entwickelte einen Ansatz, der diese verborgenen Modi zugänglich macht und der kürzlich im Fachmagazin Physical Review X veröffentlicht wurde. Der entscheidende Schritt besteht darin, die Zeitentwicklung in einer Computersimulation in den Bereich der komplexen Zeit zu erweitern, und baut auf einer in der Physik seit Langem bekannten Verbindung zwischen imaginärer Zeit und thermischen Eigenschaften auf. Weiterlesen