Forschung und Wissenschaft

Forscher aus Frankfurt, Mainz, Hamburg und Ulm haben einen Vorschlag für einen neuartigen Quantensimulator veröffentlicht. In ihrer Publikation vom 20. August 2013 in Physical Review Letters schlagen sie ein kombiniertes System von ultrakalten gefangenen Ionen in Wechselwirkung mit fermionischen Atomen vor, um Phänomene der Festkörperphysik zu simulieren. Dieses System erweitert die Möglichkeiten gegenüber existierenden Plattformen, denn genuine Eigenschaften von Festkörpersystemen wie die fermionische Besetzungsstatistik der Elektronen und die Elektronen-Phononen-Wechselwirkung sind schon inbegriffen.

Das Thema Quantensimulation wurde bereits 1982 von Richard Feynman vorgeschlagen. Er erkannte, dass schon die Berechnung eines kleinen Quantensystems völlig außerhalb der Möglichkeiten von herkömmlichen Computern liegt, denn die Quantenmechanik gehorcht dem Superpositionsprinzip und die Dynamik eines Quantenvielteilchensystems folgt daher praktisch fast unendlich vielen Möglichkeiten simultan, welche alle miteinander interferieren. Daher sollte man, so Feynman, im Labor ein einfach kontrollierbares und leicht auslesbares Quantensystem benutzen, um damit das Verhalten von interessanten und unerforschten Quantensystemen nachzuahmen und zu verstehen.

In der aktuellen Publikation beschreiben die Autoren, wie ein linearer Ionenkristall und ein entartetes Fermigas benutzt werden können, um die atomaren Rümpfe und die Elektronen in einem Festkörper zu simulieren. Von besonderem Interesse sind Phasenübergänge: Rudolf Peierls beschrieb schon 1930 einen Übergang, bei dem Phononen und Elektronen koppeln und der Festkörper seine Leitfähigkeit verliert. Weitere Möglichkeiten dieses Quantensimulators liegen in der Erforschung der Phononen-vermittelten Elektron-Elektron Wechselwirkung, welche für die immer noch nicht vollständig geklärte Hochtemperatur-Supraleitung verantwortlich gemacht wird.

Die Forschungsergebnisse wurden mit Unterstützung SFB-TR/49 erzielt. 

U. Bissbort, et al.
Emulating solid-state physics with a hybrid system of ultracold ions and atoms
Physical Review Letters, 20. August 2013
DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.080501

Quelle mit Bild: Universität Mainz