Unsterbliche Quantenteilchen: Der Zyklus von Zerfall und Wiedergeburt
Starke Quantenwechselwirkungen verhindern den Zerfall von Quasiteilchen. K. Verresen / TUM
Nichts hält ewig, sagt der Volksmund. Die Gesetze der Physik bestätigen dies: Alle Prozesse auf unserem Planeten vergrößern die Entropie, also die molekulare Unordnung. Ein zerbrochenes Glas beispielsweise würde sich niemals von selbst wieder zusammenfügen.
Was in der Alltagswelt undenkbar erscheint, ist auf mikroskopischer Ebene möglich, das haben Theoretische Physiker der Technischen Universität München (TUM) und des Max-Planck Instituts für die Physik komplexer Systeme herausgefunden.
„Bisher ist man davon ausgegangen, dass Quasiteilchen in wechselwirkenden Quantensystemen nach einer gewissen Zeit zerfallen. Jetzt wissen wir, dass das Gegenteil der Fall ist: Starke Wechselwirkungen können den Zerfall sogar komplett stoppen“, erklärt Frank Pollmann, Professor für Theoretische Festkörperphysik der TUM.
Ein Beispiel für solche Quasiteilchen sind kollektive Gitterschwingungen in Kristallen, sogenannte Phononen.
Den Begriff des Quasiteilchens prägte der Physiker und Nobelpreisträger Lew Dawidowitsch Landau. Er beschrieb damit kollektive Zustände von vielen Teilchen, beziehungsweise deren Wechselwirkungen durch elektrische oder magnetische Kräfte. Durch diese Interaktion verhalten sich mehrere Teilchen wie ein einzelnes.
Numerische Methoden eröffnen neue Perspektiven
„Welche Prozesse das Schicksal dieser Quasiteilchen in wechselwirkenden Systemen im Detail beeinflussen, war bisher allerdings nicht bekannt“, berichtet Pollmann. „Erst jetzt verfügen wir über numerische Methoden, mit denen wir komplexe Wechselwirkungen berechnen können und außerdem über Computer, die leistungsfähig genug sind, diese Gleichungen zu lösen.“
„Das Ergebnis der aufwendigen Simulation: Quasiteilchen zerfallen zwar, aus den Bruchstücken entstehen aber neue, identische Teilchengebilde“, sagt Erstautor Ruben Verresen. „Wenn dieser Zerfall sehr schnell abläuft, kommt es nach einer gewissen Zeit zu einer Umkehrung der Reaktion, und die Trümmer finden sich wieder zusammen. Dieser Prozess kann sich unendlich wiederholen, es entsteht eine anhaltende Schwingung zwischen Zerfall und Wiedergeburt.“
Diese Schwingung ist physikalisch betrachtet eine Welle, die in Materie umgewandelt wird – was gemäß dem quantenmechanischen Welle-Teilchen-Dualismus möglich ist. Damit verstoßen die unsterblichen Quasiteilchen auch nicht gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Ihre Entropie bleibt konstant, der Zerfall ist gestoppt.
Der Realitäts-Check
Die Entdeckung erklärt auch Phänomene, die bisher rätselhaft waren. Experimentalphysiker hatten gemessen, dass die magnetische Verbindung Ba3CoSB2O9 erstaunlich stabil ist. Magnetische Quasiteilchen, die Magnonen, sind dafür verantwortlich. Andere Quasiteilchen, die Rotonen, sorgen dafür, dass Helium, an der Erdoberfläche ein Gas, am absoluten Nullpunkt eine Flüssigkeit wird, die widerstandslos fließen kann.
„Unsere Arbeit ist reine Grundlagenforschung“, betont Pollmann. Es sei aber gut möglich, dass die Ergebnisse eines Tages auch Anwendungen erlauben – beispielsweise den Bau langlebiger Datenspeicher für zukünftige Quantencomputer.
Mehr Informationen:
Die Forschungsarbeiten wurden gefördert durch das European Research Council (ERC) und die Deutsche Forschungsgesellschaft DFG im Rahmen des SFB 1143, der Research Unit FOR1807 sowie durch den Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM). Die Arbeiten werden im neuen Exzellenzcluster Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) fortgeführt.
Prof. Dr. Frank Pollmann
Professur für Theoretische Festkörperphysik
James-Franck-Str. 1
85748 Garching
Tel.: +49 89 289 53760
E-Mail: frank.pollmann@tum.de
Web: http://tccm.pks.mpg.de
Ruben Verresen, Roderich Moessner & Frank Pollmann
Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions
nature physics, 27. Mai 2019
DOI: 10.1038/s41567-019-0535-3
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0535-3
https://www.tum.de/nc/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/35491/
https://mediatum.ub.tum.de/1506313
Media Contact
Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie
Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.
Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.
Neueste Beiträge
Bakterien für klimaneutrale Chemikalien der Zukunft
Forschende an der ETH Zürich haben Bakterien im Labor so herangezüchtet, dass sie Methanol effizient verwerten können. Jetzt lässt sich der Stoffwechsel dieser Bakterien anzapfen, um wertvolle Produkte herzustellen, die…
Batterien: Heute die Materialien von morgen modellieren
Welche Faktoren bestimmen, wie schnell sich eine Batterie laden lässt? Dieser und weiteren Fragen gehen Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit computergestützten Simulationen nach. Mikrostrukturmodelle tragen dazu bei,…
Porosität von Sedimentgestein mit Neutronen untersucht
Forschung am FRM II zu geologischen Lagerstätten. Dauerhafte unterirdische Lagerung von CO2 Poren so klein wie Bakterien Porenmessung mit Neutronen auf den Nanometer genau Ob Sedimentgesteine fossile Kohlenwasserstoffe speichern können…
Nichts endet, was sich gegenseitig in Schwingung bringen kann…das eine macht das andere zu dem, was es ist. Alles wird wegen der „Umstände“ einmal korrigiert werden… Vergangenheit und Zukunft lassen ein Gefühl der Gegenwart aufblühen… Liebe die, die die Sonne lieben…alle Sinne ausschöpfen und altem Wissen neue Form geben können. Derartige Themata