Veel van de grootste vragen in de natuurkunde kunnen worden beantwoord met behulp van kwantumveldentheorieën:ze zijn nodig om de dynamiek van veel op elkaar inwerkende deeltjes te beschrijven, en daarom zijn ze net zo belangrijk in de vastestoffysica als in de kosmologie. Vaak, echter, het is buitengewoon ingewikkeld om een ​​theoretisch kwantumveldmodel voor een specifiek probleem te ontwikkelen, vooral als het systeem in kwestie uit veel interagerende deeltjes bestaat.

Nu heeft een team van de TU Wien en de Universiteit van Heidelberg methoden ontwikkeld waarmee deze modellen direct uit experimentele metingen kunnen worden verkregen. In plaats van de experimentele resultaten te vergelijken met theoretische modelvoorspellingen, het is, in zekere zin, mogelijk om de theorie zelf te meten. Dit zou nu een nieuw licht moeten werpen op het gecompliceerde veld van de veeldeeltjes-kwantumfysica.

Kwantumsimulatoren

In recente jaren, een nieuwe methode voor het bestuderen van kwantumfysische systemen heeft aan belang gewonnen - de zogenaamde 'kwantumsimulators'. "We hebben gewoon geen bevredigende beschrijving van sommige kwantumsystemen, bijvoorbeeld hoge temperatuur supergeleiders. Andere systemen zijn gewoon niet direct waarneembaar, zoals het vroege heelal kort na de oerknal. Stel dat we nog iets willen leren over dergelijke kwantumsystemen, dan kiezen we gewoon een ander systeem dat gemakkelijk in het laboratorium kan worden bestuurd en passen het aan zodat het zich op dezelfde manier gedraagt ​​als het systeem waarin we eigenlijk geïnteresseerd zijn. we kunnen experimenten met ultrakoude atomen gebruiken om te leren over systemen die we anders helemaal niet zouden kunnen bestuderen, ", legt Jörg Schmiedmayer van het Vienna Center of Quantum Science and Technology (VCQ) van de TU Wien uit. Dit is mogelijk omdat er fundamentele overeenkomsten zijn tussen verschillende kwantumfysische beschrijvingen van verschillende systemen.

Maar welk kwantumsysteem ook wordt bestudeerd, wetenschappers lopen altijd tegen een fundamenteel probleem aan:"Als er te veel deeltjes bij betrokken zijn, de formules van de kwantumtheorie worden snel zo ingewikkeld dat ze niet kunnen worden opgelost, zelfs niet met de beste supercomputers ter wereld, " legt Sebastian Erne uit. "Dat is jammer, omdat systemen die uit veel deeltjes bestaan ​​bijzonder interessant zijn. In het dagelijkse leven, het is altijd zo dat veel deeltjes tegelijk een rol spelen."

De details wegwerken

In het algemeen, het is niet mogelijk om de exacte kwantumtheorie op te lossen voor een veeldeeltjessysteem, waarin elk deeltje wordt beschouwd. Men moet een vereenvoudigde kwantumbeschrijving vinden die alle essentiële eigenschappen bevat, maar vertrouwt niet langer op details over de individuele deeltjes. "Dit is vergelijkbaar met het beschrijven van een gas, " legt Jörg Schmiedmayer uit. "We zijn niet geïnteresseerd in elk afzonderlijk atoom, maar in meer algemene variabelen zoals druk en temperatuur."

Maar hoe kom je tot zulke theorieën voor veellichamensystemen? Het is buitengewoon ingewikkeld om ze puur wiskundig af te leiden uit de natuurwetten die van toepassing zijn op individuele deeltjes. Maar zoals nu blijkt, dit is niet nodig. "We hebben een methode gevonden om de theoretische beschrijving van het kwantumveld rechtstreeks uit het experiment te lezen, ", zegt Schmiedmayer. "In zekere zin, de natuur levert de formules, waarmee het moet worden beschreven, helemaal vanzelf."

We weten dat elke kwantumtheorie aan bepaalde formele regels moet voldoen - we praten bijvoorbeeld over correlaties, vermeerderaars, hoekpunten, Feynman-diagrammen - de basisbouwstenen van elk kwantumfysisch model. Het onderzoeksteam van de TU Wien en de Universiteit van Heidelberg heeft een manier gevonden om deze individuele basisbouwstenen experimenteel toegankelijk te maken. De experimentele metingen resulteren in een empirisch verkregen kwantumtheorie voor een veellichamensysteem, zonder met papier en potlood te hoeven werken.

"Voor jaren, we hebben vermoed dat dit theoretisch mogelijk is, maar niet iedereen geloofde ons dat het echt werkt, " zegt Jörg Schmiedmayer. "Nu hebben we laten zien dat we gelijk hadden - door te kijken naar een speciaal geval waarin de theorie ook kan worden gevonden en (binnen bepaalde grenzen) wiskundig kan worden opgelost. Onze meetresultaten leveren precies dezelfde theoriebouwstenen op."

Ultrakoude atoomwolken

Het experiment werd gedaan met wolken van duizenden ultrakoude atomen die gevangen zitten in een magnetische val op een atoomchip. "Van de kwantumgolfpatronen van deze atomaire wolken, we kunnen de correlatiefuncties bepalen waaruit de basisbouwstenen van de juiste theorie kunnen worden afgeleid, ", legt Schmiedmayer uit.

De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X . Het team hoopt dat dit de studie van quantum veeldeeltjessystemen aanzienlijk zal vereenvoudigen. Misschien zal het enig licht werpen op enkele van de grote vragen in de natuurkunde.