ITMO-Wissenschaftler simulieren Galaxiedynamik mittels eingefangener Ionen

Forscher der ITMO-Universität haben eine neuartige Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Bewegungen von Sternen relativ zum Zentrum unserer Galaxie sowie die daraus resultierenden Transformationen der Milchstraße mit hoher Präzision zu modellieren. Das Besondere an diesem Ansatz ist die Nutzung von Atomionen, die in einer speziellen Laborfalle festgehalten werden. Dadurch wird der Übergang von rein mathematischen Berechnungen hin zu einer experimentellen Untersuchung astrophysikalischer Prozesse auf Basis des Ähnlichkeitsprinzips vollzogen.

Semjon Rudoj, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Wissenschafts- und Bildungszentrum für Nanostrukturphysik der ITMO, erläuterte, dass diese Technik es erlaubt, ein kosmisches System bildlich „in der Handfläche“ nachzubilden. Man kann astrophysikalische Phänomene untersuchen und sogar beeinflussen, indem die geladenen Teilchen in der Falle als Analogon für Sterne dienen. Galaxien, wie auch andere makroskopische kosmische Gebilde, sind inhärent komplexe dynamische Systeme. Schon geringfügige Abweichungen in den Ausgangsbedingungen können langfristig zu unvorhersehbaren Resultaten führen, was die Genauigkeit traditioneller rechnerischer Modelle limitiert.

Um langfristige Zeiträume zuverlässig prognostizieren zu können, greifen Astronomen traditionell auf vereinfachte mathematische Konstrukte zurück. Ein solches Beispiel ist das Henon-Heiles-Potential, welches Michel Henon und Carl Heiles bereits 1964 einführten. Die aktuelle Untersuchung der ITMO-Wissenschaftler, die zudem durch den Russischen Wissenschaftsfonds gefördert wurde, konnte nachweisen, dass die Trajektorien von Atomionen in einer Quadrupolfalle ein analoges Verhalten zu den Sternenbahnen in einem galaktischen Potential zeigen. Die Physiker stellten fest, dass das klassische astrophysikalische Henon-Heiles-Potential erfolgreich in einem System aus Atomionen realisiert werden kann.

Für die Erzeugung der erforderlichen elektrischen Feldkonfiguration innerhalb der Falle kommen Elektroden zum Einsatz, die aus Indiumzinnoxid (ITO) bestehen und auf Glassubstraten aufgebracht wurden. Dmitri Scherbinin, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter desselben Zentrums, hob hervor, dass chaotische Systeme, ungeachtet ihrer unterschiedlichen Natur – sei es auf Mikro- oder Makroebene – denselben grundlegenden Gesetzmäßigkeiten unterliegen. Dies stützt die Annahme, dass es universelle Regulatoren für verschiedene chaotische Systeme geben muss, die in der Lage sind, sich gegenseitig abzubilden.

In verwandten Forschungsfeldern, wie der Quanteninformationsverarbeitung mittels Ionen, erzielten russische Wissenschaftler des FIAN (Physikalisches Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften) im Dezember 2025 einen Meilenstein: Sie erreichten eine Rekordgenauigkeit bei Ein-Qubit-Operationen auf einem 70-Qubit-Computer. Dies belegt die hohe Kompetenz im Umgang mit Ionensystemen. Während internationale Forscher, wie beispielsweise Christopher Monroe, Quantensimulationen mit Ionen als vielversprechende Plattform für die Modellierung von Systemen der kondensierten Materie sehen, konzentriert sich die russische Entwicklung auf makroskopische astrophysikalische Modelle, wobei sie auf denselben fundamentalen Prinzipien der Steuerung geladener Teilchen aufbauen.