Überblick

Stark gekoppelt und universell

Was lehren uns ultrakalte Gase über die Eigenschaften nuklearer Materie?

  • Thomas Schäfer und Achim Schwenk
  • 01 / 2014 Seite: 27

Die Materie im Inneren von Neutronensternen oder das Quark-Gluon-Plasma, das sich bei Schwerionenkollisionen erzeugen lässt, sind Beispiele stark korrelierter Quantenflüssigkeiten. So verschieden diese Systeme auch sind, so scheinen sie doch gewisse universelle Eigenschaften gemeinsam zu haben, die sich im sog. unitären Fermi-Gas wiederfinden. Da sich dieses Modellsystem mit ultrakalten Quanten­gasen im Labor untersuchen lässt, haben sich in den letzten Jahren unerwartete Synergien zwischen Kernphysik und der Physik ultrakalter Gase eröffnet.

Quantenflüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle in vielen Gebieten der Physik. Ein typisches Beispiel ist das Elektronengas in einem guten Leiter. Schwach korrelierte Quantenflüssigkeiten zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich mithilfe von effektiven Einteilchenzuständen, sog. Quasiteilchen, beschreiben lassen. Für das Elektronengas sind das die Gitterschwingungen (Phononen) sowie die (Quasi-)Elektronen. Letztere unterscheiden sich von den freien Elektronen durch eine effektive Masse, welche die Auswirkungen der Coulomb-Wechselwirkung zwischen ihnen beinhaltet und sich von der Masse des freien Elektrons unterscheidet. Die Thermodynamik lässt sich in guter Näherung durch diese nichtwechselwirkenden Elektronen sowie Phononen beschreiben, und die Transporteigenschaften ergeben sich aus der Streuung der Elektronen an Störstellen und Phononen.

Stark korrelierte Systeme dagegen sind durch das Fehlen scharf definierter Quasiteilchen charakterisiert. Beispiele sind flüssiges Helium in der Nähe des Lambda-Punktes und Hochtemperatur-Supraleiter. Obwohl sich verschiedene stark gekoppelte Systeme im Detail sehr unterscheiden, existieren Hinweise auf wichtige universelle Eigen­schaften. Wir werden zwei Beispiele diskutieren: die Zustandsgleichung dichter Materie, mit Anwendungen in der Physik von Neutronensternen, und die Viskosität stark gekoppelter Flüssigkeiten, die in Schwer­ionen­kollisionen und in der Expansion ultrakalter Gase experimentell zugänglich ist.

Eine interessante Frage ist, ob ein einfaches Modellsystem für stark korrelierte Quantenflüssigkeiten exis­tiert, das eine ähnliche Rolle spielt wie das Ising-Modell für den Magnetismus und damit verbundene Phasen­übergänge. Wir möchten hier argumentieren, dass das unitäre Fermi-Gas ein solches Modell ist. Es ist mathematisch extrem einfach, aber physikalisch komplex. Dank der Fortschritte in der Kontrolle ultrakalter Quantengase lässt sich das unitäre Gas experimentell im Labor erzeugen. ...

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