Eksperimentelt at identificere effektive teorier i mange-kropssystemer

Et videnskabelig mål er at finde fysiske beskrivelser af naturen ved at studere, hvordan grundlæggende systemkomponenter interagerer med hinanden. For komplekse mangekropssystemer, effektive teorier bruges ofte til dette formål. De giver mulighed for at beskrive interaktionerne uden at skulle observere et system på de mindste skalaer. Fysikere ved Heidelberg Universitet har nu udviklet en ny metode, der gør det muligt at identificere sådanne teorier eksperimentelt ved hjælp af såkaldte kvantesimulatorer. Resultaterne af forskningsindsatsen, ledet af prof. dr. Markus Oberthaler (eksperimentel fysik) og prof. dr. Jürgen Berges (teoretisk fysik), blev offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .

Afledning af forudsigelser om fysiske fænomener på niveau med individuelle partikler fra en mikroskopisk beskrivelse er praktisk talt umulig for store systemer. Dette gælder ikke kun for kvantemekaniske mange-kropssystemer, men også til klassisk fysik, f.eks. når opvarmet vand i en gryde skal beskrives på niveau med de enkelte vandmolekyler. Men hvis et system observeres i stor skala, som vandbølger i en gryde, nye ejendomme kan blive relevante under visse forudsætninger. For at beskrive sådan fysik effektivt, effektive teorier bruges. "Vores forskning havde til formål at identificere disse teorier i eksperimenter ved hjælp af kvantesimulatorer, " forklarer Torsten Zache, hovedforfatter til den teoretiske del af undersøgelsen. Kvantesimulatorer bruges til at ændre mange-kropssystemer mere enkelt og til at beregne deres egenskaber.

Heidelberg-fysikerne demonstrerede for nylig deres nyudviklede metode i et eksperiment på ultrakolde rubidium-atomer, som fanges i en optisk fælde og bringes ud af ligevægt. "I det scenario, vi forberedte, atomerne opfører sig som små magneter, hvis orientering vi er i stand til præcist at aflæse ved hjælp af nye processer, "ifølge Maximilian Prüfer, den primære forfatter på den eksperimentelle side af undersøgelsen. For at bestemme den effektive vekselvirkning mellem disse 'magneter, 'eksperimentet skal gentages flere tusinde gange, hvilket kræver ekstrem stabilitet.

"De bagvedliggende teoretiske begreber giver os mulighed for at fortolke de eksperimentelle resultater på en helt ny måde og derved opnå indsigt gennem eksperimenter i områder, der hidtil har været utilgængelige gennem teori, "påpeger prof. Oberthaler." Til gengæld, dette kan fortælle os om nye typer af teoretiske tilgange til med succes at beskrive de relevante fysiske love i komplekse mangekropssystemer, " siger prof. Berges. Den tilgang, som Heidelberg-fysikerne brugte, kan overføres til en række andre systemer, dermed åbnes banebrydende territorium for kvantesimuleringer. Jürgen Berges og Markus Oberthaler er overbeviste om, at denne nye måde at identificere effektive teorier vil gøre det muligt at besvare grundlæggende spørgsmål inden for fysik.