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Ein Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt hat ein schwieriges Problem der Quantenphysik durch innovative Umformulierung in eine deutlich einfachere Version übersetzt – ohne dabei wichtige Informationen zu verlieren. Damit entwickelten die Wissenschaftler:innen eine neue Methode, um schwierige quantenmechanische Systeme besser zu verstehen und vorherzusagen.
Das Problem beschäftigt die Quantenphysik seit langem: Wie können Systeme aus vielen Atomen, zwischen denen stark anziehende Kräfte wirken, rechnerisch beschrieben werden? Schon ab etwa zehn Teilchen liegen solche System an der Grenze von aktuellen numerischen Methoden.
Besonders kompliziert wird es, wenn die Atome einer äußeren Kraft ausgesetzt werden. Das ist jedoch in vielen Experimenten mit kalten Atomen der Fall, aufgrund der Art und Weise wie Bewegungen oft z.B. auf eine Dimension eingeschränkt werden. Solche Systeme aus stark wechselwirkenden Teilchen in einer Dimension wurden in den 1960er-Jahren vorgeschlagen und dienen seither als Referenzproblem in der theoretischen Physik. Sie konnten bisher nur in wenigen Spezialfällen gelöst werden.
Hier setzten die Forschenden mit dem Versuch an, ein System durch eine sogenannte effektive Theorie zu vereinfachen – also indem sie lediglich die "wichtigen" physikalischen Aspekte betrachteten. Da Atome aufgrund der starken Anziehung Paare (Di-Atome) bilden, versuchten die Wissenschaftler:innen, statt der vielen Atome eine "effektive" Beschreibung basierend auf Atomen und Di-Atomen zu finden. Dies reduziert die Anzahl der zu beschreibenden Teilchen und vereinfacht damit die Beschreibung.
Der Ansatz beruht nun zusätzlich darauf, dass Atome und Di-Atome zu zwei Klassen von Teilchen gehören, den sogenannten Fermionen und Bosonen. Im Rahmen einer sogenannten Dualitätstransformation wurden die Rollen von Fermionen und Bosonen vertauscht: Hier sind nun die Kräfte zwischen Atomen und Di-Atomen schwach, weswegen das Problem jetzt mit speziellen Lösungsmethoden für schwache Wechselwirkungen leichter gelöst werden kann.
Mit seinem Ansatz verknüpfte das Forschungsteam beide Methoden: zum einen effektive Theorien, um die physikalisch relevanten Aspekte zu isolieren, und zum anderen Dualitätstransformationen, um das komplexe Problem in eine einfacher lösbare Form zu überführen. Die Wissenschaftler:innen lösten mit dieser Grundlagenforschung ein notorisch schwieriges Problem der theoretischen Physik. Die Ergebnisse erlauben Vorhersagen für Experimente mit kalten Atomen und stark anziehenden Kräften in einer Dimension. Potenziell könnten auch kompliziertere, höherdimensionale Systeme auf ähnliche Weise behandelt werden.
An der TU Darmstadt wurde die Forschung von der Arbeitsgruppe „Starke Wechselwirkung und ultrakalte Atome“ von Professor Hans-Werner Hammer am Institut für Kernphysik (Fachbereich Physik) geleitet, Erstautor ist Doktorand Timothy G. Backert. Beteiligt waren zudem Wissenschaftler:innen der Massey University in Neuseeland und der Universität Aarhus in Dänemark.
Timothy G. Backert
timothy_george.backert@tu-darmstadt.de
+49 6151 16-21544
S2|11 104
Schlossgartenstraße 2
64289 Darmstadt
Timothy G. Backert, Fabian Brauneis, Matija Čufar, Joachim Brand, Hans-Werner Hammer und Artem G. Volosniev: „Effective theory for strongly attractive one-dimensional fermions“, in: „Physical Review Letters“, DOI: 10.1103/8mnc-x42q
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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