Neutronenspektrometer

Exo­tischer Quanten­zustand nach­gewie­sen

Vor 15 Jahren haben Forscher um den Physiker Andreas Läuchli einen Phasen­übergang in einem zwei­dimensio­nalen Quanten­material theoretisch vorhergesagt, der nun von einem inter­nationalen Forschungs­team experimentell bestätigt wurde. Die gemeinsame Arbeit wurde unlängst in der Fachzeit­schrift Nature Physics veröffentlicht.

Viele physikalische Phänomene lassen sich mit relativ einfachen mathematischen Modellen beschreiben. In der Quantenwelt jedoch gibt es faszinierende Erscheinungen, die aus den Wechselwirkungen mehrerer Teilchen – sogenannten Vielkörpersystemen – entstehen, und nur sehr schwer zu modellieren und simulieren sind. Beispiele für Quantenvielteilchenzustände sind Supraleitung, Supraflüssigkeiten, Bose-Einstein-Kondensate und Quark-Gluon-Plasmen. Experimentell sind diese Phänomene bisher kaum zugänglich. Nun hat eine internationale Gruppe von Theoretikern und Experimentalphysikern unter Zuhilfenahme von fast allen Großgeräten, die Europa in diesem Bereich zu bieten hat, einen neuen Quantenvielteilchenzustand realisiert. 

Theoretisch vorhergesagt

Im Jahr 2002 hatte ein Team um Andreas Läuchli, seit sechs Jahren Professor am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck, einen neuen Quantenphasenübergang von einem Zustand mit dominanter Zweiteilchen-Verschränkung zu einem Zustand mit dominanter Vierteilchen-Verschränkung theoretisch vorhergesagt. Dieser tritt in Strontiumkupferborat bei einer Änderung der magnetischen Kopplungskonstanten auf. Die Wissenschaftler der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) in der Schweiz erzeugten diese Änderung durch Anlegen eines äußeren Drucks. Die Innsbrucker Forscher um Andreas Läuchli schafften dafür die Grundlage, in dem sie thermodynamische Größen als Funktion der magnetischen Kopplungskonstanten numerisch simulierten und diese Vergleichsdaten dazu verwendeten, um das experimentelle Verhältnis der Kopplungskonstanten als Funktion des Druckes zu ermitteln.

Neue Einblicke in Quantenmaterie

Im Gegensatz zu klassischen Phasenübergängen wie von Eis (fest) in Wasser (flüssig) und weiter in Wasserdampf (gasförmig), beschreiben Quantenphasenübergänge Änderungen am absoluten Temperaturnullpunkt. Sie treten aufgrund von Quantenfluktuationen auf, die durch geänderte physikalische Parameter ausgelöst werden - im aktuellen Experiment durch sehr hohen Druck. Nachgewiesen haben die Forscher den neuen Quantenzustand mit Hilfe von Neutronenspektroskopie, einer sehr erfolgreichen Methode zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Materialien. Mit der Methode wollen die Wissenschaftler in Zukunft diesen neuen Quantenvielteilchenzustand noch näher untersuchen.

Neben den Forschern der Universität Innsbruck, der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Paul Scherrer Instituts waren auch Wissenschaftler der Carnegie Mellon University in Katar, der Universität Genf, dem University College London, dem Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, der University of Cambridge, der Nanyang Technological University, der Université Pierre et Marie Curie, der Russischen Akademie der Wissenschaften, dem Institut Laue-Langevin und des Heinz-Maier-Leibnitz Zentrums an der Forschungsarbeit beteiligt.


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