Was passiert, wenn ein Physiker durch die Beschränkungen der Quantenmechanik frustriert wird, z. B. wenn es darum geht, Bündel von Atomen mit hoher Dichte zu untersuchen - An der EPFL führt dies zur Herstellung eines Metamaterials - eines künstlichen Materials, das völlig neue Eigenschaften aufweist.
Der Physiker ist der Doktorand Mathieu Padlewski. In Zusammenarbeit mit Hervé Lissek und Romain Fleury vom Labor für Welleningenieurwesen der EPFL hat er ein akustisches System konstruiert, mit dem man Materiekondensate und ihre makroskopischen Eigenschaften erforschen kann, ohne dabei die extrem empfindliche Natur von Quantenphänomenen zu vernachlässigen. Dieses System könnte auch auf die Untersuchung anderer physikalischer Systeme als kondensierte Materie ausgeweitet werden. Die Arbeit wird in Physical Review B veröffentlicht .
"Grob gesagt haben wir eine von der Quantenmechanik inspirierte Experimentierplattform entworfen, die man auf die Untersuchung verschiedener Systeme einstellen kann. Unser Metamaterial besteht aus extrem modularen aktiven Elementen. Sie ermöglichen es, Phänomene zu synthetisieren, die über das hinausgehen, was in der Natur beobachtet werden kann. Potenzielle Anwendungen reichen von der Manipulation von Wellen bis hin zur Energieführung in der Telekommunikation. Langfristig könnte das System beispielsweise zur Energiegewinnung aus akustischen Wellen eingesetzt werden", erklärt Mathieu Padlewski.
Schrödingers Katze und das Quantenrätsel
In der Quantenmechanik ist die Katze im Inneren der Box sowohl tot als auch lebendig, bis man das System durch eine Messung stört - also die Box öffnet. Aus einer reinen Quantenperspektive befindet sich die Katze in zwei übereinanderliegenden wahrscheinlichen Zuständen: ein wahrscheinlicher Zustand ist tot und ein anderer lebendig, bis man die Schachtel öffnet, um zu überprüfen, ob das Tier tot oder lebendig ist. Das Tier kann nicht gleichzeitig tot und lebendig sein, und das ist die Essenz dieses Gedankenexperiments, das 1935 von Erwin Schrödinger erdacht wurde. Es veranschaulicht die Komplexität von Quantenkonzepten, wenn man versucht, sie sich auf anderen Skalen vorzustellen, zum Beispiel auf der Skala einer Katze.Die sensible Natur der Quantenphysik macht es sehr schwierig, den Zustand der Materie zu beobachten. Das liegt daran, dass allein die Tatsache, dass ein System gemessen wird, ihm einen Zustand zuweist, anstatt es ununterbrochen in einer Überlagerung wahrscheinlicher Zustände existieren zu lassen. Abgesehen davon wissen Physikerinnen und Physiker, wie man elektronische Zustände indirekt auslotet, um auf ihre Eigenschaften zu schließen.
Quantenphänomene mit Schallwellen modellieren
In der makroskopischen Welt gibt es noch ein weiteres Phänomen, in Bezug auf das Schrödingers Katze durchaus Sinn macht. Ein Phänomen, mit dem man interagieren kann: Schall.Nehmen wir eine bestimmte Stimme. Wir wissen, dass sie uns in ihrer Einzigartigkeit und ihrem Reichtum erscheint, weil wir ein ganzes Spektrum an Frequenzen hören. Das Spektrum ist einzigartig für eine bestimmte Stimme, aber es erklärt auch die einzigartige Klangfarbe eines bestimmten Klaviers oder warum eine Trompete nicht wie eine Posaune klingt. Im Prinzip können wir die Grundfrequenz - also den Grundzustand - zusammen mit den höheren Frequenzen, die als Obertöne bezeichnet werden, gleichzeitig hören. Um in der Sprache der Quantenphysik zu sprechen: Wir hören gleichzeitig eine Überlagerung von Zuständen. Zurück zu Schrödingers Katze: Sie ist gleichzeitig tot und lebendig, und wir können sie hören!
"Quantenwahrscheinlichkeitswellen sind im Grunde genommen Wellen - warum sollte man sie nicht mit Schall modellieren?", fragt Mathieu Padlewski. Die elektronischen Zustände der Materie direkt und ohne sie zu stören zu erforschen, ist so, als würde man einen Blinden bitten, ohne Stock durch eine belebte Straße zu gehen. Aber in der Akustik können wir Wellen direkt ausloten, in Phase und Amplitude, ohne ihren Zustand zu beeinflussen. Das ist ziemlich interessant."
Ein akustisches Metamaterial entwerfen
Das an der EPFL gebaute akustische Metamaterial besteht aus einer Reihe von "akustischen Atomen" - 16 kleine Würfel, die miteinander verbunden sind und Öffnungen haben, in denen mehrere Lautsprecher und Mikrofone platziert werden können. Erstere erzeugen Schallwellen, die sich kontrolliert entlang der Reihe akustischer Atome ausbreiten, und letztere messen die Schallwellen, die als Input für die Rückkopplungssteuerung dienen. Die Würfel sind wie Bausteine, mit denen sich komplexere Systeme als eine einfache Reihe aufbauen lassen."In seiner Struktur und Funktionalität ähnelt unser aktives akustisches Metamaterial der Cochlea, dem Organ, das für das Hören im Ohr verantwortlich ist", erklärt Hervé Lissek. Diese besteht aus einer Reihe von Zellen, die je nach ihrer Position verschiedene Frequenzen verstärken. Potenziell könnten wir unser Metamaterial auf die gleiche Weise einstellen, um Hörprobleme wie Tinnitus zu untersuchen."
Auf dem Weg zu einem von der Quantenphysik inspirierten Analog-Computing?
Mathieu Padlewski plant außerdem, die Bausteine seines Metamaterials zu nutzen, um die Machbarkeit eines akustischen Analogcomputers zu untersuchen, mit dem nicht trennbare Zustände erzeugt werden können, wobei er sich von der Arbeit von Pierre Deymier von der Universität Arizona inspirieren lässt. Im Wesentlichen würde es sich dabei um das akustische Äquivalent eines Quantencomputers handeln, der es jedoch ermöglichen würde, die übereinanderliegenden Zustände direkt zu beobachten, ohne in das System einzugreifen, da akustische Wellen nicht so zerbrechlich sind wie ihre Quantenkollegen."Dieser akustische Quantenanalogcomputer würde eher einem Kristallgitter ähneln, also periodischen Reihen von Zellen, die wie die Atome in einem Kristall angeordnet sind", erklärt Mathieu Padlewski. In der Quanteninformatik könnte der akustische Ansatz eine alternative Möglichkeit bieten, große Mengen an Informationen gleichzeitig zu verarbeiten."
