Een doel van de wetenschap is om fysieke beschrijvingen van de natuur te vinden door te bestuderen hoe basissysteemcomponenten met elkaar omgaan. Voor complexe veellichamensystemen, Hiervoor worden vaak effectieve theorieën gebruikt. Ze maken het mogelijk om de interacties te beschrijven zonder een systeem op de kleinste schaal te hoeven observeren. Natuurkundigen van de Universiteit van Heidelberg hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld die het mogelijk maakt om dergelijke theorieën experimenteel te identificeren met behulp van zogenaamde kwantumsimulatoren. De resultaten van de onderzoeksinspanningen, onder leiding van Prof. Dr. Markus Oberthaler (experimentele fysica) en Prof. Dr. Jürgen Berges (theoretische fysica), werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

Voor grote systemen is het praktisch onmogelijk om uit een microscopische beschrijving voorspellingen af ​​te leiden over fysische verschijnselen op het niveau van individuele deeltjes. Dit geldt niet alleen voor kwantummechanische veellichamensystemen, maar ook tot de klassieke natuurkunde, zoals wanneer verwarmd water in een kookpot moet worden beschreven op het niveau van de individuele watermoleculen. Maar als een systeem op grote schaal wordt waargenomen, als watergolven in een pot, onder bepaalde randvoorwaarden kunnen nieuwe panden relevant worden. Om dergelijke fysica efficiënt te beschrijven, effectieve theorieën worden gebruikt. "Ons onderzoek was gericht op het identificeren van deze theorieën in experimenten met behulp van kwantumsimulators, " legt Torsten Zache uit, de hoofdauteur van het theoretische gedeelte van de studie. Quantumsimulatoren worden gebruikt om veellichamensystemen eenvoudiger te modificeren en hun eigenschappen te berekenen.

De natuurkundigen van Heidelberg hebben onlangs hun nieuw ontwikkelde methode gedemonstreerd in een experiment met ultrakoude rubidium-atomen, die worden gevangen in een optische val en uit evenwicht worden gebracht. "In het scenario dat we hebben voorbereid, de atomen gedragen zich als kleine magneten waarvan we de oriëntatie met behulp van nieuwe processen nauwkeurig kunnen uitlezen, " volgens Maximilian Prüfer, de hoofdauteur aan de experimentele kant van het onderzoek. Om de effectieve interacties van deze 'magneten' te bepalen, ' het experiment moet duizenden keren worden herhaald, die extreme stabiliteit vereist.

"De onderliggende theoretische concepten stellen ons in staat om de experimentele resultaten op een geheel nieuwe manier te interpreteren en daardoor door experimenten inzichten te verwerven in gebieden die tot dusverre ontoegankelijk waren voor theorie, " merkt prof. Oberthaler op. "Op zijn beurt dit kan ons iets vertellen over nieuwe soorten theoretische benaderingen om de relevante natuurkundige wetten in complexe veellichamensystemen met succes te beschrijven, " stelt Prof. Berges. De benadering die door de fysici van Heidelberg wordt gebruikt, is overdraagbaar op een aantal andere systemen, waardoor baanbrekend terrein wordt geopend voor kwantumsimulaties. Jürgen Berges en Markus Oberthaler zijn ervan overtuigd dat deze nieuwe manier om effectieve theorieën te identificeren het mogelijk zal maken om fundamentele vragen in de natuurkunde te beantwoorden.