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11. August 2020

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Die großen Fragen der Physik

Die großen Fragen der Physik© TU Wien

Eine Quanten-Beschreibung für ein Vielteilchensystem zu entwickeln ist extrem kompliziert. Die TU-Wien und die Uni Heidelberg entwickelten nun eine Variante, Quantentheorien direkt aus dem Experiment abzulesen.

(red/mich) Viele große Fragen der Physik lassen sich mit Hilfe von Quantenfeldtheorien beantworten, etwa die Beschreibung von Wechselwirkungen zwischen Teilchen. Diese sind in der Festkörperphysik genauso unverzichtbar wie in der Kosmologie. Meistens ist es allerdings extrem kompliziert, ein quantenfeldtheoretisches Modell für eine bestimmte Fragestellung zu entwickeln und das gilt besonders für Systeme, die aus vielen wechselwirkenden Teilchen bestehen.

Ein Team der TU-Wien und der Universität Heidelberg hat nun Methoden entwickelt, mit denen diese Modelle direkt von der Natur abgelesen werden können. Das ermöglicht nun nicht nur zu messen und dann die Resultate mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen, sondern eine Art Messung der Theorie selbst. Und das soll nun neues Licht in das komplizierte Gebiet der Vielteilchen-Quantenphysik bringen.

Zukunftstechnologie Quanten-Simulatoren
„Von manchen Quantensystemen haben wir einfach keine befriedigende Beschreibung, etwa von Hochtemperatur-Supraleitern. Andere Systeme können wir grundsätzlich nicht direkt beobachten, etwa das frühe Universum, kurz nach dem Urknall“, erläutert Jörg Schmiedmayer vom Vienna Center of Quantum Science & Technology (VCQ) am Atominstitut der TU Wien. „Wenn wir trotzdem etwas über solche Quantensysteme lernen möchten, dann wählen wir ein anderes, im Labor kontrollierbares System und passen es gezielt so an, dass es sich ähnlich verhält wie das System, das uns eigentlich interessiert“, so Schmiedmayer weiter.

Trotzdem bleiben wesentliche Probleme: „Wenn zu viele Teilchen im Spiel sind, dann werden die Formeln der Quantentheorie rasch so kompliziert, dass man sie auch mit den besten Supercomputern der Welt niemals lösen kann“, erklärt Sebastian Erne von der TU-Wien.
Hier muss eine vereinfachte Quanten-Beschreibung gefunden werden, die alle wesentlichen Eigenschaften enthält, aber keine Details über die einzelnen Teilchen mehr benötigt. „Das ist ähnlich einer Beschreibung von Gas, wo nicht jedes einzelne Atom wichtig ist, sondern Größen wie Druck und Temperatur“, so Jörg Schmiedmayer.

Empirisch gefundene Quantentheorie
Schmiedmayer verweist auf die Natur, die selbst die Formeln für ihre Beschreibung liefert und nennt formale Regeln der Quantentheorie wie Korrelationen, Propagatoren, Vertices oder Feynman-Diagrammen. Die Forscherteams beider Unis haben einen Weg gefunden, diese einzelnen Grundbausteine experimentell zugänglich zu machen. So ergibt sich eine empirisch gefundene Quantentheorie für ein Vielteilchensystem. Die Basis für die neue Methode sind Wolken aus tausenden ultrakalten Atomen, die in einer magnetischen Falle auf einem AtomChip festgehalten werden.

„Aus den Quanten-Wellenmustern dieser Atomwolken kann man jene Korrelationsfunktionen ermitteln, aus denen dann die Grundbausteine der dazu passenden Theorie abgeleitet werden“, erklärt Schmiedmayer. Die aktuellen Ergebnisse wurden nun auch im renommierten Fachjournal „Physical Review X“ publiziert. Das Projekt wurde vom Wissenschaftsfonds FWF gefördert, im Rahmen der österreichischen Beteiligung am Spezialforschungsbereich ISOQUANT der Deutschen Forschungsgesellschaf (DFG).

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red/mich, Economy Ausgabe Webartikel, 24.02.2020