Eine neue Transformation gibt Einblicke in die Vielteilchen-Physik

Rotation und Drehimpuls spielen eine wichtige Rolle in vielen Gebieten der Physik, von der nuklearen Spektroskopie über Molekularzusammenstöße bis hin zu Präzisionsmessungen. In einer Publikation, die im führenden Physikjournal Physical Review X  am 12. Februar 2016 erschienen ist, führen Mikhail Lemeshko, Professor am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), und Richard Schmidt, Postdoc an der Harvard University, eine Technik ein um den Drehimpuls in Vielteilchenumgebungen zu verstehen und berechnen. In Vielteilchenumgebungen interagieren mehrere Partikel miteinander.
In den letzten 70 Jahren wurde die Quantentheorie des Drehimpulses erfolgreich angewendet um die Eigenschaften von Atomkernen, Atomen und Molekülen zu beschreiben. Allerdings interagieren in den meisten natürlichen Situationen mehrere Partikel miteinander. Dies erschwert das Verständnis und die Berechnung der Eigenschaften des Drehimpulses selbst bei kleinen Systemen. Das gilt vor allem für realistische Experimente in denen Kerne, Atome und Moleküle fast nie voneinander isoliert sind. Stattdessen werden sie von ihrer Umgebung gestört – sei es von einem Gas, einer Lösung oder Vibrationen des Kristallgitters. In solchen Situationen kann der Drehimpuls zwischen unendlich vielen Quantenteilchen verteilt werden. Daher sind solche Probleme mit den zurzeit verfügbaren mathematischen Zugängen unlösbar.

In ihrer Publikation führen Lemeshko und Schmidt eine neue mathematische Technik ein, um den Transfer des Drehmoments zwischen einer rotierenden Verunreinigung und dem Quanten-Vielteilchensystem – dem sogenannten “Angulon Problem” –  zu berechnen und zu verstehen. Diese Technik basiert auf einer neuen kanonischen Transformation. Diese beseitigt die komplexe Algebra, die sich mit dem Problem befasst, und vereinfacht so das Verständnis der Angulon-Physik dramatisch. Die neue Technik kann potentiell bei einer breiten Palette an Problemen in der atomaren Physik, der Physik der kondensierten Materie und der chemischen Physik angewendet werden.