Zaubertrick in der Vielteilchenwelt
Das Prinzip der Quasiteilchen ist ein mächtiges Konzept, um Vorgänge in komplexen Systemen zu verstehen. Es wirkt fast wie ein Zaubertrick – auch bei magnetischen Monopolen.
Teilchen können zutiefst fundamentalen Charakter haben, sodass wir in diesem Fall von Elementarteilchen sprechen. Als Beispiele seien hier das bereits im 19. Jahrhundert entdeckte Elektron und das erst kürzlich beobachtete Higgs-Boson genannt. Die Teilchenphysik befasst sich mit solch fundamentalen Teilchen sowie mit elementaren Zusammensetzungen zu weiteren Teilchen, zum Beispiel aus Quarks bestehende Nukleonen. Sie zeigt uns, wie die Materie in ihrem tiefsten Inneren aufgebaut ist.
Wenn eine große Anzahl von Teilchen intensiv in Wechselwirkung miteinander tritt, dann führt dies zur Vielteilchenphysik, wie wir sie etwa in Festkörpermaterialien antreffen. Derartige Situationen können sehr komplex sein und werden oft von der Quantenphysik beherrscht. So können sie völlig neue Phänomene hervorbringen, wie Phasenübergänge zu neuen Materiezuständen. Der Teilchencharakter der ursprünglichen Bestandteile ist dann oft kaum mehr erkennbar. Doch es treten neue Formen von Anregungen auf, denen man wie einem Teilchen gewisse Eigenschaften zuordnen kann. So haben solche Quasiteilchen eine wohldefinierte Energie und Masse. Allerdings kann man derartige Teilchen nicht isolieren, sondern sie sind immer an ihre Umgebung gebunden. Die Existenz von Quasiteilchen ist somit inhärent ein Vielteilchenphänomen.
Das Konzept von Quasiteilchen geht wesentlich auf den sowjetischen Physiker Lew Landau zurück, der es bereits in den 1930er Jahren zur Beschreibung der Bewegung von Elektronen in einem Kristallgitter einführte. Das Elektron verzerrt lokal das Gitter, und diese Deformation scheint sich mit dem Elektron mitzubewegen. Begleitet von der Deformation bildet das Elektron dann ein Quasiteilchen, das Polaron. Bahnbrechend ist Landaus Theorie zu Fermi-Flüssigkeiten aus den 1950er Jahren. Das stark wechselwirkende Elektronengas in einem Metall lässt sich durch ein schwach wechselwirkendes Gas aus Quasiteilchen beschreiben, was grundlegende Eigenschaften wie das Verhalten der Wärmekapazität erklärt.
Die große Vereinfachung, die komplizierte Physik von Vielteilchensystemen auf das viel einfachere Verhalten von Quasiteilchen zurückzuführen, mutet wie ein Zaubertrick an. Für die Theorie der kondensierten Materie ist dieses Konzept inzwischen aber schon längst zu einem Eckpfeiler geworden und bringt immer wieder neue verblüffende Erkenntnisse hervor.
Eine erstaunliche neue Anwendung des Quasiteilchenkonzepts beschreiben Bastian Klemke und Roderich Moessner vom Max-Planck-Institut für komplexe Systeme in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit. Sie widmen sich der Frage der Existenz magnetischer Monopole und zeigen, wie ein Festkörpersystem magnetische Monopole in Form von Quasiteilchen hervorbringen kann.
Abb. Wenn man einen Stabmagneten immer weiter teilt, bleibt doch immer ein Dipol mit Nord- und Südpol erhalten. In bestimmten Festkörpern aber lassen sich magnetische Monopole als Quasiteilchen beobachten (Aney/Wikimedia).
Ultrakalte Quantengase bieten bei Temperaturen ganz nahe am absoluten Nullpunkt neue Zugänge zur Untersuchung von Quasiteilchen. Richard Schmidt von der Harvard University und Michael Knap von der TU München berichten im selben Heft von der zeitlichen Dynamik der Ausbildung von Polaronen in einem Fermi-System, die erstmals in Echtzeit beobachtet werden konnte.
Die „Quasiteilchenphysik“ bietet einen Schlüssel zum Verständnis komplexer Teilchensysteme. Sie wird uns weiterhin grundlegende Erkenntnisse liefern sowie wissenschaftliches Neuland erschließen. Im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Materialien werden uns Quasiteilchen in Zukunft immer häufiger begegnen. Aber unabhängig von Anwendungen erfreuen wir uns auch an der Schönheit und Eleganz des zauberhaften Zugangs zur Vielteilchenphysik.
Rudolf Grimm, Universität Innsbruck
Sowohl dieses Editorial als auch die beiden darin erwähnten Artikel aus der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit stehen zum freien Download bereit (siehe unter Originalveröffentlichungen)
