Eine Brücke zwischen Quantenwelten schlagen

Eine neue einheitliche Theorie verbindet zwei grundlegende Bereiche der modernen Quantenphysik: Sie vereint zwei gegensätzliche Vorstellungen davon, wie sich ein einzelnes fremdes Teilchen in einem Vielteilchensystem verhält, und zwar als mobile oder statische Verunreinigung in einer großen Anzahl von Fermionen, einem sogenannten Fermi-See. Entwickelt wurde die neue Theorie am Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg. Sie beschreibt die Entstehung sogenannter Quasiteilchen und liefert eine Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Quantenzuständen, die nach den Worten der Heidelberger Wissenschaftler weitreichende Auswirkungen auf aktuelle Experimente zur Quantenmaterie haben wird.

Illustration des Übergangs von einer stati­schen Ver­un­rei­ni­gung (l.), die ihre Um­ge­bung voll­stän­dig stört, zu einer mo­bi­len Ver­un­rei­ni­gung (r.), deren Be­we­gung durch die Ent­ste­hung eines Qua­si­teil­chens die Ord­nung wie­der­her­stellt.

Quelle: U Heidelberg / Eugen Dizer (KI-gen.)

In der Quanten-Vielteilchenphysik herrschen unterschiedliche Vorstellungen davon, wie sich Verunreinigungen – also fremde Elektronen oder Atome – zwischen vielen anderen Teilchen verhalten. Nach dem etablierten Quasiteilchenmodell bewegt sich ein einzelnes Teilchen in einem See von Fermionen, etwa Elektronen, Protonen oder Neutronen, und interagiert mit seinen Nachbarn. Dabei zieht es seine Umgebung mit sich und bildet so ein neues kollektives Objekt – ein Fermi-Polaron. Dieses Quasiteilchen verhält sich zwar wie ein einzelnes Elementarteilchen, besteht aber aus der koordinierten Bewegung der Verunreinigung und der mit ihr wechselwirkenden Partikel. Das Quasiteilchenmodell ist zu einem Eckpfeiler für das Verständnis stark wechselwirkender Systeme geworden, von kalten atomaren Gasen bis hin zu Festkörpern und Kernmaterie, wie Eugen Dizer, Doktorand am Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg, erläutert.

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Demgegenüber steht ein Phänomen, das als Andersons Orthogonalitätskatastrophe bezeichnet wird. Es tritt auf, wenn eine Verunreinigung extrem schwer und praktisch unbeweglich ist. Dabei verändert sich ein Vielteilchensystem dramatisch. Die Wellenfunktionen der Fermionen werden so stark modifiziert, dass sie ihren ursprünglichen Charakter vollständig verlieren. Sie bilden einen komplexen Hintergrund, der koordinierte Bewegung und damit die Entstehung von Quasiteilchen verhindert. Mithilfe von verschiedenen analytischen Methoden ist es den Heidelberger Wissenschaftlern jetzt gelungen, diese beiden Beschreibungen mobiler und statischer Verunreinigungen in Quantensystemen miteinander in Einklang zu bringen. Jahrzehntelang fehlte der Physik eine Theorie, die diese beiden Zustände verbindet.

„Die von uns entwickelte Theorie erklärt, wie Quasiteilchen in Systemen mit einer sehr schweren Verunreinigung entstehen. Damit verbindet sie zwei Paradigmen, die lange Zeit getrennt behandelt wurden“, so Eugen Dizer, der in der von Richard Schmidt geleiteten Arbeitsgruppe „Quantenmaterietheorie“ forscht. Der neuen Theorie liegt die Erkenntnis zugrunde, dass selbst sehr schwere Verunreinigungen kleinste Bewegungen vollziehen, wenn sich ihre Umgebung an sie anpasst. Dadurch öffnet sich eine Energielücke, wodurch sich aus dem komplexen, stark korrelierten Hintergrund Quasiteilchen bilden können. Die Heidelberger Forscher konnten zeigen, dass dieser Mechanismus auf natürliche Weise den Übergang von polaronischen zu molekularen Quantenzuständen erklärt.

Nach den Worten von Prof. Schmidt liefern die aktuellen Forschungsergebnisse eine aussagekräftige Beschreibung von Verunreinigungen, die sich auf verschiedene räumliche Dimensionen und Arten von Wechselwirkungen übertragen lässt. „Unsere Forschung erweitert nicht nur das theoretische Verständnis von Quantenverunreinigungen, sondern hat auch direkte Relevanz für aktuelle Experimente mit ultrakalten atomaren Gasen, zweidimensionalen Materialien und neuartigen Halbleitern“, so der Heidelberger Physiker. [U Heidelberg / dre]