idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Grafik: idw-Logo

idw - Informationsdienst
Wissenschaft

Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instanz:
Teilen: 
22.06.2020 14:31

Effektive Theorien in Vielteilchensystemen experimentell bestimmen

Marietta Fuhrmann-Koch Kommunikation und Marketing
Universität Heidelberg

    Ein Ziel der Wissenschaft ist es, physikalische Beschreibungen der Natur zu finden, indem sie untersucht, wie grundlegende Bestandteile eines Systems miteinander wechselwirken. Für komplexe Vielteilchensysteme werden dazu häufig effektive Theorien verwendet. Damit können Wechselwirkungen beschrieben werden, ohne ein System auf kleinsten Skalen beobachten zu müssen. Physiker der Universität Heidelberg haben eine neue Methode entwickelt, die es möglich macht, derartige Theorien mithilfe von Quantensimulatoren experimentell zu bestimmen.

    Effektive Theorien in Vielteilchensystemen experimentell bestimmen
    Heidelberger Forscher entwickeln neue Methode und demonstrieren ihre Anwendung in Experimenten

    Ein Ziel der Wissenschaft ist es, physikalische Beschreibungen der Natur zu finden, indem sie untersucht, wie grundlegende Bestandteile eines Systems miteinander wechselwirken. Für komplexe Vielteilchensysteme werden dazu häufig effektive Theorien verwendet. Damit können Wechselwirkungen beschrieben werden, ohne ein System auf kleinsten Skalen beobachten zu müssen. Physiker der Universität Heidelberg haben jetzt eine neue Methode entwickelt, die es möglich macht, derartige Theorien mithilfe sogenannter Quantensimulatoren experimentell zu bestimmen. Die Forschungsergebnisse, die unter der Leitung von Prof. Dr. Markus Oberthaler (Experimentalphysik) und Prof. Dr. Jürgen Berges (Theoretische Physik) entstanden, wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

    Vorhersagen über physikalische Phänomene auf der Ebene einzelner Teilchen aus einer mikroskopischen Beschreibung herzuleiten, ist für große Systeme praktisch unmöglich. Das gilt jenseits von quantenmechanischen Vielteilchensystemen bereits in der klassischen Physik, wenn zum Beispiel erhitztes Wasser in einem Kochtopf auf dem Level der einzelnen Wassermoleküle beschrieben werden soll. Betrachtet man allerdings ein System auf großen Skalen, etwa die Wasserwellen im Topf, so können unter bestimmten Voraussetzungen neue Eigenschaften relevant werden. Um deren Physik effizient zu beschreiben, verwendet die Physik effektive Theorien. „Diese Theorien mithilfe von Quantensimulatoren in Experimenten bestimmen zu können, war Ziel unserer Forschung“, sagt Torsten Zache, der für den theoretischen Teil Erstautor der Studie ist. Quantensimulatoren werden dabei eingesetzt, um Vielteilchensysteme einfacher zu modellieren und deren Eigenschaften zu berechnen.

    Ihre neuentwickelte Methode haben die Heidelberger Physiker jetzt in einem Experiment mit ultrakalten Rubidiumatomen demonstriert. Diese werden in einer optischen Falle gefangen und aus dem Gleichgewicht gebracht. „In dem von uns so präparierten Szenario verhalten sich die Atome wie kleine Magnete, deren Ausrichtung wir mithilfe neuer Verfahren präzise auslesen können“, so Maximilian Prüfer, der Erstautor auf experimenteller Seite ist. Für die Bestimmung der effektiven Wechselwirkungen dieser „Magnete“ musste das Experiment viele tausend Male wiederholt werden, was eine hohe Stabilität erfordert.

    „Die zugrundeliegenden theoretischen Konzepte erlauben es uns, die experimentellen Ergebnisse in einer völlig neuen Art zu interpretieren und damit in Experimenten Erkenntnisse in Bereichen zu erlangen, die bislang auf dem Weg der Theorie noch nicht zugänglich sind“, betont Prof. Oberthaler. „Dies wiederum kann uns Hinweise geben, in welche Richtung neuartige Theorieansätze erfolgreich sein können, um damit die relevanten Physikgesetze in komplexen Vielteilchensystemen zu beschreiben“, sagt Prof. Berges. Der Ansatz der Heidelberger Physiker ist auf eine Vielzahl anderer Systeme übertragbar und eröffnet daher wegweisende Perspektiven für Quantensimulationen. Diese neue Art der Bestimmung effektiver Theorien wird es ermöglichen, fundamentale Fragen in der Physik zu beantworten, sind sich Jürgen Berges und Markus Oberthaler sicher.

    Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen“ (ISOQUANT) der Universität Heidelberg durchgeführt. Sie sind zugleich Teil des Projekts „Entanglement Generation in Universal Time Dynamics“, für das Prof. Oberthaler einen ERC Advanced Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) erhalten hat.

    Kontakt:
    Universität Heidelberg
    Kommunikation und Marketing
    Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Prof. Dr. Markus Oberthaler
    Kirchhoff-Institut für Physik
    Telefon (06221) 54-5170
    markus.oberthaler@kip.uni-heidelberg.de


    Originalpublikation:

    M. Prüfer, T.V. Zache, P. Kunkel, S. Lannig, A. Bonnin, H. Strobel, J. Berges, and M.K. Oberthaler: Experimental extraction of the quantum effective action for a non-equilibrium many-body system. Nature physics (published online 15 June 2020), doi: 10.1038/s41567-020-0933-6


    Weitere Informationen:

    http://www.kip.uni-heidelberg.de/matterwave
    http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~berges


    Bilder

    Experimenteller Aufbau am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg.
    Experimenteller Aufbau am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg.
    Foto: Alexis Bonnin


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten
    Physik / Astronomie
    überregional
    Forschungsergebnisse
    Deutsch


     

    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).