Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanten-Vielteilchensysteme auf dem Weg zurück zum Gleichgewicht

23.02.2015

Fortschritte in der experimentellen und theoretischen Physik ermöglichen ein tieferes Verständnis der Dynamik und Eigenschaften von Quanten-Vielteilchensystemen

Bedenkt man, wie viele Teilchen in einem Kubikzentimeter Luft oder Festkörper enthalten sind (ca. 10 hoch 19 bis 10 hoch 23), so ist es eigentlich kaum vorstellbar, dass Physiker heute im Labor Ensembles aus nur wenigen Hundert oder sogar nur einer Handvoll Atome präparieren können. Noch dazu haben sie ihre Methoden so verfeinert, dass sie die Teilchen einzeln oder als Gesamtheit gezielt manipulieren und die Wechselwirkungen zwischen ihnen steuern können.


Illustration der verschiedenen Möglichkeiten, Quanten-Vielteilchensysteme zu beeinflussen.

(Abteilung Theorie, MPQ)

Aufgrund neuer numerischer Verfahren, leistungsfähiger Computer, sowie neuer theoretischer Modelle hat die theoretische Beschreibung solcher Quanten-Vielteilchensysteme nicht weniger Fortschritte gemacht. In einem jüngst in der Zeitschrift Nature Physics (3. Februar 2015) veröffentlichten Artikel geben Prof. Dr. Jens Eisert, Mathis Friesdorf (beide vom Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin) und Dr. Christian Gogolin, Postdoc-Wissenschaftler in der Abteilung Theorie von Prof. Ignacio Cirac am MPQ (Garching) und Research Fellow am ICFO (Barcelona), einen Überblick, welche Arten von Systemen bereits realisiert werden konnten, wie deren Verhalten theoretisch gedeutet wird und welche Entwicklungen in Zukunft zu erwarten sind.

Besonders aufschlussreich bei der Untersuchung von Quanten-Vielteilchensystemen sind die Prozesse, die ablaufen, wenn das System nach einer externen Störung wieder in einen Gleichgewichtszustand strebt. Hier gilt es die Brücke zu schlagen zwischen der mikroskopischen Beschreibung der lokalen, quantenmechanischen Dynamik auf der einen Seite, und der bekannten statistischen Behandlung großer Teilchenensembles auf der anderen. Welcher Ansatz die Oberhand behält, hängt entscheidend von der Größe des Systems und der Art der Wechselwirkung zwischen den Teilchen ab.

In vielen Experimenten werden heute lokale Systeme aus wenigen Teilchen realisiert, zwischen denen Wechselwirkungen mit sehr kurzer Reichweite herrschen. Von besonderer Bedeutung hierbei sind Experimente mit ultrakalten Quantengasen in sogenannten optischen Gittern (dabei handelt es sich im Wesentlichen um Gitter aus stehenden Wellen, die durch gegenläufige Laserstrahlen erzeugt werden). Solche Systeme können z.B. als Modelle für ferromagnetische Materialien dienen.

Ein sehr interessanter Gesichtspunkt in der Festkörperphysik, der ebenfalls mit diesen Systemen untersucht werden kann, ist Transport – etwa der von Elektronen und damit elektrischer Ladung in einem Kristall. In enger Zusammenarbeit finden experimentelle und theoretische Physiker dabei z.B. heraus, von welchen Parametern Eigenschaften wie die Leitfähigkeit bestimmt werden, oder wie Defekte und störende Einflüsse die Mobilität von Teilchen beeinflussen.

Größeren Quanten-Vielteilchensystemen nähern sich die Theoretiker gerne mit statistischen, der Thermodynamik entlehnten Methoden. Von besonderer Bedeutung ist hier die zeitliche Entwicklung des Systems, wenn man globale Parameter – etwa die Temperatur oder externe Felder – verändert. Eine solche Änderung kann ganz plötzlich und einmalig stattfinden, aber sich auch über einen gewissen Zeitraum hinziehen oder periodisch wiederholen.

Die Wissenschaftler gehen dabei der Frage nach, ob, wie und nach welchen Zeitspannen das System einen neuen Gleichgewichtszustand erreicht hat. In vielen Systemen lassen sich bei bestimmten „kritischen“ Werten der Parameter Übergänge in eine andere „Phase“ beobachten, bei denen sich die Systemeigenschaften dramatisch ändern – ähnlich dem Schmelzen von Eis oberhalb von Null Grad Celsius. Die Dynamik solcher Phasenübergänge zu verstehen ist für Theoretiker auch heute noch eine große Herausforderung.

Bewährt haben sich Quanten-Vielteilchensysteme bereits als Simulatoren von großen Systemen, z.B. mehrdimensionalen Gittersystemen, deren Nicht-Gleichgewichtsverhalten mit analytischen und numerischen Verfahren nicht mehr erfasst werden kann. Experimentelle Systeme mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern stellen hier analoge Modelle dar, mit denen sich diese Grenzen überwinden lassen. In diesem Sinne können die Systeme auch als analoge Quantencomputer dienen, deren Leistung die von klassischen Computern bei bestimmten Aufgaben übertrifft.

Bei allen Fortschritten in der Erforschung von Quanten-Vielteilchensystemen sind noch viele Fragen offen. Zwar sind einzelne Schritte auf dem Weg in den Gleichgewichtszustand mittlerweile verstanden, doch wovon die Zeitskalen abhängen, auf denen diese Relaxationsprozesse ablaufen, ist bislang nur unzureichend verstanden. Darüber hinaus möchten die Wissenschaftler in Zukunft nicht nur geschlossene Systeme untersuchen, sondern auch solche, in denen es durch die Wechselwirkung mit der Umgebung zu Rauschen und Dissipation kommt. Diese an sich schädlichen Prozesse könnten, wenn sie wohl kontrolliert sind, genutzt werden, um interessante Materiezustände zu präparieren. Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:
J. Eisert, M. Friesdorf and C. Gogolin
Quantum many-body systems out of equilibrium
Nature Physics, 3 February 2015, DOI:10.1038/Nphys3215

Kontakt

Prof. Dr. Ignacio Cirac
Honorarprofessor, TU München
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -705/-736
Telefax: +49 (0)89 / 32 905 -336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de

Dr. Christian Gogolin
ICFO - The Institute of Photonic Sciences
Mediterranean Technology Park,
Av. Carl Friedrich Gauss, 3,
08860 Castelldefels (Barcelona), Spanien
Telefon: +34 935 54 22 37
E-Mail: christian.gogolin@icfo.es

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Automatisiertes Befüllen von Regalen im Einzelhandel

19.07.2018 | Verkehr Logistik

Mobilfunkstrahlung kann die Gedächtnisleistung bei Jugendlichen beeinträchtigen

19.07.2018 | Studien Analysen

Mit dem Nano-U-Boot gezielt gegen Kopfschmerzen und Tumore

19.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics