Quantumrotoren in einem Quantenbad

Rotation und Drehimpuls sind in der Physik allgegenwärtige Konzepte. Sie spielen in so unterschiedlichen Bereichen wie der Reaktionsfähigkeit biologischer Moleküle, der Genauigkeit von Atomuhren und den Sternspektren eine Rolle. In einer Publikation, die im führenden Physikjournal Physical Review Letters am 19. Mai 2015 erschienen ist, entwickeln Mikhail Lemeshko, Professor am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), und Richard Schmidt, Postdoc an der Harvard University, die erste allgemeine Theorie, die die Wirkung einer Quanten-Vielteilchenumgebung auf die Rotation von Quantenteilchen beschreibt.

In den letzten 70 Jahren hat sich die Quantentheorie des Drehimpulses in eine leistungsstarke Maschinerie entwickelt, die häufig zur Beschreibung von isolierten Quantensystemen verwendet wird. In realistischen Experimenten sind Quantensysteme allerdings selten isoliert. Stattdessen werden sie von der Umgebung, dem Quantenbad, gestört – sei es von einem Gas, einer Lösung, oder Fluktuationen im elektromagnetischen Feld. So eine Umgebung kann die Physik des Systems zutiefst verändern und ist schwer experimentell kontrollierbar. Insbesondere mit der Rotation zusammenhängende Eigenschaften werden ungeheuer komplex, selbst wenn nur wenige Partikel miteinander wechselwirken.

In ihrer Publikation führen Richard Schmidt und Mikhail Lemeshko ein neues Quasipartikel, das “Angulon”, als eine effiziente Beschreibung der Rotation im Kontext von Vielteilchensystemen ein. Ein „Quasipartikel“ ist ein mathematisches Konzept, mithilfe dessen PhysikerInnen das kollektive Verhalten von stark interagierenden Partikeln als fast freie Bewegung von nicht interagierenden Partikeln beschreiben können. Das neu präsentierte „Angulon“ besteht aus einem Quantum Rotor umgeben von einem Quanten-Vielteilchensystem, und wird durch den gesamten Drehimpuls des Vielteilchensystems charakterisiert. Eine Untersuchung der Eigenschaften des Angulons ebnet den Weg, um die Umverteilung des Drehimpulses zwischen Unreinheiten und einem Kristallgitter in der Festkörperphysik, sowie zwischen Molekülen und einer Lösung in für die Chemie relevanten Prozessen zu verstehen.