Die physikalischen Theorien der Thermodynamik und Quantenphysik könnten eigentlich unterschiedlicher nicht sein. Während die Thermodynamik im 19. Jahrhundert entwickelt wurde, um die Funktionsweise großer Dampfmaschinen zu erklären, befasste sich die Quantenphysik Anfang des 20. Jahrhunderts mit den Eigenschaften von Atomen und subatomaren Teilchen. Dennoch treffen sich in den modernen Quantentechnologien beide Theorien wieder: Denn auch winzige Systeme aus Atomen und Lichtteilchen (Photonen) können Energie aufnehmen, umwandeln und abgeben und damit gewissermaßen wie kleinste Quantenmaschinen funktionieren.
Die Herausforderung für Physikerinnen und Physiker besteht darin, eine Beschreibung solcher Systeme zu finden, die sowohl für ein vollständig quantenmechanisches System funktioniert als auch im sogenannten semiklassischen Limit. Damit ist ein Grenzfall gemeint, in dem ein Teil des Systems quantenmechanisch behandelt wird, während für einen anderen Teil die klassische Physik ausreicht. Forschende der Universität Basel in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Patrick Potts haben nun einen theoretischen Ansatz vorgestellt, der genau diese Herausforderung adressiert.
Miniatur-Wärmekraftmaschine im Hohlraum
„Unsere Berechnungen beziehen sich dabei auf das konkrete physikalische Modell eines Atoms, das sich in einem Hohlraum zwischen zwei Spiegeln befindet und dort Lichtteilchen absorbieren und aussenden kann“, sagt Postdoktorand Marcelo Janovitch. Ein Laser pumpt ständig weitere Photonen in den Hohlraum, während durch die nicht perfekt reflektierenden Spiegel zugleich Licht nach außen entweichen kann. „Das ist ein Paradebeispiel für ein sogenanntes getrieben-dissipatives System, bei dem fortlaufend Energie zugeführt wird und zugleich an die Umgebung verloren geht“, so der Forscher. An einem solchen Modell lassen sich grundsätzliche Fragen offener Quantensysteme studieren. Das Atom wirkt dabei ähnlich wie eine winzige Wärmekraftmaschine – oder, in diesem Fall, wie eine „Lichtmaschine“.
Vor Kurzem hatten Potts und seine Mitarbeitenden bereits gezeigt, dass die aus dem Hohlraum entweichenden Lichtteilchen in der thermodynamischen Beschreibung nicht pauschal als „Abwärme“ gelten dürfen. Ein Teil ihrer Energie kann vielmehr noch genutzt werden, um an einem anderen Quantensystem nützliche Arbeit zu verrichten. In ihrer neuen Arbeit untersuchten die Forschenden, wie sich diese Unterscheidung zwischen Wärme und nutzbarer Energie auf das semiklassische Limit auswirkt.
Im semiklassischen Limit wird das Atom im Hohlraum weiterhin als Quantensystem mit diskreten Energieniveaus betrachtet, während das Licht als klassische elektromagnetische Welle gilt und man Quanteneffekte vernachlässigen kann. Das ist zum Beispiel dann angebracht, wenn sich sehr viele Photonen im Hohlraum befinden. „Dadurch, dass man das Licht nun klassisch behandelt, lässt sich viel einfacher definieren, welcher Anteil der Energie als Arbeit nutzbar ist und welcher als ungeordnete Wärme vorliegt“, sagt Janovitch. Wichtig dabei: Dieser Grenzfall sollte sich auch schlüssig aus der quanten-thermodynamischen Beschreibung herleiten lassen.
Verminderte Fluktuationen als Ressource
Genau dies konnten Janovitch und seine Kollegen mathematisch zeigen. Ihr Ansatz, bei dem ein Teil des austretenden Lichts als Arbeit verbucht wird, lässt sich problemlos in das semiklassische Limit überführen. Mit dem herkömmlichen Verfahren dagegen, das alle aus dem Hohlraum entweichende Energie als Wärme betrachtet, gelingt dies nicht. Zudem sagen die Berechnungen der Forschenden korrekt voraus, wie durch Quanteneffekte die Fluktuationen der Lichtteilchen dabei reduziert werden.
Gerade diese Verminderung der Schwankungen ist für Anwendungen in Quantentechnologien interessant. Durch sie wird es möglich, Wärme – die normalerweise in Quantensystemen zu Störungen führt – gezielt als Ressource einzusetzen. So lassen sich zum Beispiel bestimmte Lichtzustände erzeugen, die für besonders präzise Messungen in der Quantenmetrologie geeignet sind.
