Darmstädter Forschende bringen Verständnis quantenmechanischer Systeme voran
Ein Team unter Leitung der TU Darmstadt hat ein Problem der Quantenphysik durch innovative Umformulierung in eine deutlich einfachere Version übersetzt – ohne dabei wichtige Informationen zu verlieren.
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 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.
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Der Ansatz beruht nun zusätzlich darauf, dass Atome und Di-Atome zu zwei Klassen von Teilchen gehören, den Fermionen und Bosonen. Im Rahmen einer Dualitätstransformation wurden die Rollen von Fermionen und Bosonen vertauscht: Hier sind nun die Kräfte zwischen Atomen und Di-Atomen schwach, weswegen sich das Problem jetzt mit speziellen Lösungsmethoden für schwache Wechselwirkungen leichter lösen lässt.
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 geleitet, Erstautor ist Doktorand Timothy Backert. Beteiligt waren zudem Forschende der Massey University in Neuseeland und der Universität Aarhus in Dänemark. [TU Darmstadt]
Weiterführende Links
- Originalveröffentlichung
T.G. Backert et al., Effective theory for strongly attractive one-dimensional fermions, Phys. Rev. Lett. 135, 040401, 23. Juli 2025; DOI: 10.1103/8mnc-x42q - Effektive Feldtheorien für Starke Wechselwirkungen und Ultrakalte Atome (Hans-Werner Hammer), Theoriezentrum, Institut für Kernphysik, Fachbereich Physik, Technische Universität Darmstadt
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Deutschland
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