Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen
Das Vorhandensein von Unreinheiten ist eines der interessantesten und grundlegenden Probleme der Vielteilchenphysik. Bei Festkörpern ist eine Unreinheit, die mit Schwingungen des Kristallgitters verbunden ist, ein gut untersuchtes Beispiel. Die Unreinheit und die einhergehende Gitterverformung bilden eine neue Einheit, die Polaron genannt wird. Dieses Quasiteilchen spielt eine wichtige Rolle für die Spektraldichte von Supraleitern und den hohen Magnetowiderstand von Manganiten. Die im EU-finanzierten Projekt "Interactions between polarons in polarized Fermi gases" (INTERPOL) geleistete Forschungsarbeit konzentrierte sich auf mobile Unreinheiten, die Fermi-Polaronen bilden. Die Wechselwirkung von Polaronen ist nach wie vor Gegenstand von Debatten, insbesondere im Kontext zweier weiterer Probleme der Vielteilchenphysik: Bose–Einstein-Kondensate und Bardeen–Cooper–Schrieffer-Suprafluiden. Die INTERPOL-Wissenschaftler untersuchten die Eigenschaften von Unreinheiten, die sich durch ein wechselwirkendes Fermigas bewegen. Ein Fermigas besteht aus einer großen Anzahl von Fermionen mit gleichem Spin. Wenn Atome des gegenteiligen Spins einem solchen idealen Fermigas hinzugefügt werden, interagieren sie mit den Fermionen und bilden gemeinsam ein wechselwirkendes Fermigas. Numerische Simulationen ergaben, dass sich Unreinheiten in einem kugelförmigen, symmetrischen Bereich um sie herum auch auf die Dichteverteilung des Fermigases auswirkten. Aus dieser Beobachtung schlossen die INTERPOL-Wissenschaftler, dass Polaronen Quasipartikel mit räumlicher Ausdehnung sind. Darüber hinaus vermuten sie weiträumige Wechselwirkungen zwischen Polaronen. An der Grenze, an der die Wechselwirkungen zwischen Unreinheiten und Fermionen schwach sind, wendeten die INTERPOL-Wissenschaftler mathematische Verfahren der Störungstheorie an. Diese ermöglichten ihnen, analytische Ausdrücke für die Energie und die effektive Masse der sich bewegenden Polaronen zu erhalten. Die Ergebnisse werden einen Ausgangspunkt zur Generalisierung des Ansatzes liefern, der für bewegliche und letztendlich kollidierende Unreinheiten aufgenommen wurde. Zur Validierung werden Experimente in einer Anlage durchgeführt werden, in der quasi-monochromatische Strahlen von Fermipolaronen erzeugt und mittels Radiofrequenzspektrometrie untersucht werden können. Es wird erwartet, dass die mit Experimenten validierten theoretischen Ergebnisse für Supraleiter und Magnete anwendbar sein werden, wodurch sich Wissenschaftler mit grundlegenden Fragen der Quantenphysik befassen können.
Schlüsselbegriffe
Quantenmaterie, Vielteilchenphysik, Polaron, Supraleiter, Magnanite, Fermigase
