Programmierbare Quanten-Whirlpools

14. Juli 2026

Wissenschaftliche Illustration der Wirbel

Foto: TII Abu Dhabi, edited

Die Illustration zeigt die Bildung dreier Wirbelringe in einer atomaren Supraflüssigkeit.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Prof. Ludwig Mathey von der Universität Hamburg hat eine neuartige Methode zur Erzeugung und Steuerung dreidimensionaler Quantenwirbel nach Bedarf entwickelt. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Physik der Quantenflüssigkeiten und der Atomtronik dar. Die in den „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlichte Studie eröffnet neue Perspektiven für die Grundlagenforschung und für Anwendungen in der Quantentechnologie.

Wenn man beobachtet, wie Wasser spiralförmig in einen Abfluss fließt, blickt man auf eines der hartnäckigsten Rätsel der Physik. Wirbel – jene Strukturen, die unter anderem für Turbulenzen um Flugzeuge und das Aufwirbeln von Wettersystemen verantwortlich sind – haben sich jahrzehntelang einer vollständigen wissenschaftlichen Beschreibung entzogen. Man stelle sich vor, diesen Strudel auf die Quantenebene zu verkleinern, wo völlig andere Regeln gelten, und ihn dann auf Knopfdruck erzeugen und steuern zu können.

Im Quantenbereich verhalten sich Wirbel ganz anders als in alltäglichen Situationen. Die Zirkulation von Materie um den Kern eines Quantenwirbels lässt sich nicht beliebig einstellen; sie ist auf feste, diskrete Quanten festgelegt. Diese Strukturen stehen im Mittelpunkt einiger der komplexesten Probleme der modernen Physik, darunter Quantenturbulenz und Quantendissipation. Dieselben physikalischen Phänomene treten in Supraleitern, Neutronensternen und anderen Quantensystemen auf. Trotz jahrzehntelanger Forschung war die präzise kontrollierbare Erzeugung und Manipulation einzelner Quantenwirbel bislang eine der größten Herausforderungen auf diesem Gebiet.

Quantenwirbel sind die elementaren Bausteine von Supraflüssigkeiten

„Quantenwirbel sind die elementaren Bausteine von Supraflüssigkeiten, außergewöhnlichen Zuständen der Materie, in denen sich Atome reibungsfrei kollektiv bewegen“, erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Vijay Singh vom Technology Innovation Institute in Abu Dhabi und ehemaliger Forscher an der Universität Hamburg. „Bislang war es äußerst schwierig, sie deterministisch zu erzeugen und dabei ihre Anzahl und Dynamik präzise zu steuern. Unsere Arbeit zeigt, dass angetriebene Supraflüssigkeiten in programmierbare Quellen dreidimensionaler Quantenwirbel umgewandelt werden können. Das ermöglicht völlig neue Klassen von Experimenten, die bislang nicht realisierbar waren.“

Das Ergebnis knüpft direkt an den früheren, in Science veröffentlichten Durchbruch des Teams an, in dem erstmals die experimentelle Beobachtung von Shapiro-Stufen an einem angeregten atomaren Josephson-Übergang beschrieben wurde. Anstatt jedoch elektrischen Strom zwischen Supraleitern zu leiten, steuert in der aktuellen Arbeit ein atomarer Josephson-Übergang den kohärenten Fluss ultrakalter Atome zwischen zwei Bose-Einstein-Kondensaten, die durch eine mikroskopisch kleine Barriere voneinander getrennt sind.

„Durch die präzise Verstimmbarkeit der Tunnelbarriere konnten wir zudem ein seit langem bestehendes Problem der nichtlinearen Physik lösen: den Übergang des Energieflusses in der Quantenflüssigkeiten mittels Wirbelringe oder mittels Pulse niedriger Dichte, sogenannter rarefaction pulses, die zwei grundlegend unterschiedliche Arten des Energietransports darstellen“, erklärt Prof. Ludwig Mathey, Forscher im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“.

Die Arbeit eröffnet spannende Perspektiven für die Quantensimulation, die Präzisionsmesstechnik und zukünftige Quantentechnologien auf der Grundlage kohärenter Materiewellen. Die Ergebnisse erscheinen zu einem Zeitpunkt, an dem das internationale Interesse an der Atomtronik rasant zunimmt. Kontrollierte Quantenwirbel könnten zu zentralen Bausteinen für zukünftige Quantensensoren, Trägheitsnavigationssysteme, analoge Quantensimulatoren und programmierbare Quantenfluid-Schaltkreise werden. Zudem bieten sie eine ideale Plattform für die Untersuchung von Turbulenzen und nichtlineare Dynamik unter präzise kontrollierten Laborbedingungen. Text: TII Abu Dhabi, red.