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Physik in unserer Zeit

Perfekter Klang der Fermionen

Martin W. Zwierlein

Published Mar 1, 2021• 0 citations
Publisher

Abstract

Eine Messung zur Schallausbreitung in einem Fermi‐Gas zeigt „perfekten“ Fluss, dessen Restreibung nur durch die Quantenmechanik begrenzt ist. Die Daten können Aufschluss geben über die Viskosität von Neutronenmaterie, stark wechselwirkenden Elektronen und dem Quark‐Gluon‐Plasma des frühen Universums.
DOI
10.1002/piuz.202170205

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Ist ein See von Elektronen immer eine Fermi‐Flüssigkeit?

Achim Rosch

Abstract Wenn die Wechselwirkung zwischen den Elektronen in einem Metall besonders stark ist, treten eine Reihe faszinierender neuer Effekte auf. Die kollektive Bewegung der Elektronen führt zur Bildung neuer „Teilchen”︁. Solche Effekte treten vor allem in der Nähe von Quantenphasenübergängen auf, oder wenn die Elektronen sich in nur einer Dimension bewegen können.

Physik in unserer Zeit•Jan 1, 1999•3 citations

Einleitung

Paul Gombás

ZusammenfassungDas Mehrteilchenproblem der Atomphysik konnte, wie die meisten Probleme der Quantenphysik, erst auf Grund der modernen Quantenmechanik in Angriff genommen werden. Die ältere Bohrsche Quantentheorie hat bei der Behandlung des Mehrteilchenproblems vollkommen versagt, denn es zeigte sich, daß schon das einfachste Mehrteilchenproblem, das He-Problem, bei dem sich im Feld eines Kernes nur zwei Elektronen bewegen, zu unüberwindlichen Schwierigkeiten führte, und es ist auf Grund der Bohrschen Atomtheorie nicht gelungen, ein He-Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften des He-Atoms zu erklären vermag. Durch die Entdeckung der Quantenmechanik, die man in erster Linie De Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Dirac zu verdanken hat, änderte sich diese Lage mit einem Schlag. Durch die Quantenmechanik wurde für die gesamte Quantenphysik ein neues Fundament geschaffen, aus dem sich eine in sich geschlossene und widerspruchsfreie Theorie des Mehrteilchenproblems entwickeln konnte. Natürlich muß man gerade so wie beim berüchtigten astronomischen Drei- und Mehrkörperproblem darauf verzichten, das Problem in seinem vollen Umfang anzugreifen; es werden immer nur spezielle, in der Natur wichtige Teilprobleme zu lösen sein, und jedes dieser Teilprobleme erfordert wohlüberlegte und kunstvolle mathematische Approximationen.

Birkhäuser Basel eBooks•Jan 1, 1950•0 citations

Interaction-free measurements with electrons and optical field enhancement at nanotips

Sebastian Thomas

Sogenannte wechselwirkungsfreie Messungen sind ein aus der Quantenmechanik bekanntes Interferenzphänomen, mit dessen Hilfe die Anwesenheit eines Objekts detektiert werden kann, ohne das Objekt in irgendeiner Weise zu stören. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen. Integriert in ein Mikroskop könnte diese Technik es ermöglichen, die bei Elektronenmikropskopie auftretenden Strahlenschäden erheblich zu reduzieren. Es werden verschiedene Ansätze zur Realisierung von wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen und die dabei auftretenden Schwierigkeiten besprochen. Hauptthema hierbei ist der benötigte Elektronen-Strahlteiler. Wir stellen einen möglichen Ansatz vor, der auf der Kontrolle und dem Einschluss eines Elektronenstrahls durch Mikrowellenfelder beruht. Mit diesem Strahlteiler ist es gelungen, einen langsamen Elektronenstrahl mit kinetischer Energie von ungefähr 1 eV in zwei Strahlen zu spalten. Wir diskutieren in einem vereinfachten quantenmechanischen Modell, welche Eigenschaften ein solcher Strahlteiler aufweisen muss, um Elektronenwellen ohne Störung zu teilen und wechselwirkungsfreie Messungen zu ermöglichen. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Anwendung von interaktionsfreien Messungen in der Bildgebung, insbesondere mit der Frage, inwiefern sie die Messung und Unterscheidung von Graustufen erlauben. Es stellt sich heraus, dass die Messung von Graustufen im typischen Interferenzaufbau einer wechselwirkungsfreien Messung zwar möglich ist, aber der dabei entstehende Schaden am Messobjekt nur in speziellen Fällen geringer ist als in einer herkömmlichen Transmissionsmessung. Wir untersuchen auch den Einfluss von Phasenverschiebungen. Bei Messobjekten, die Graustufen aufweisen und Phasenverschiebungen verursachen, können wechselwirkungsfreie Messungen für Objekte mit hoher Transparenz weniger Schaden verursachen als konventionelle Transmissionsmessungen und Messungen mit einem Mach-Zehnder-Interferometer. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die optische Feldverstärkung an Nanospitzen. Wir untersuchen in numerischen Simulationen über einen großen Parameterbereich, wie die Höhe der Feldverstärkung von der Geometrie und dem Material der Spitze abhängt. Dabei stellen wir fest, dass neben dem Krümmungsradius der Spitze auch der Öffnungswinkel einen überraschend großen Einfluss auf die Feldverstärkung hat, welchen wir durch ein vereinfachtes Modell qualitativ erklären können. Anwendung findet die optische Feldverstärkung in der Photoemission von Elektronen aus scharfen Metallspitzen. Hierzu zeigen wir Experimente in verschiedenen Regimes der Photoemission: einerseits Multiphotonenemission mit einem Erbium-Faserlaser und andererseits Photoemission im Starkfeldregime mit einem Titan-Saphir-Oszillator. Letztere Messungen erlauben es, mit Hilfe einer neuen, auf Elektronen-Rückstreuung beruhenden Methode die optische Feldverstärkung in unmittelbarer Nähe der Spitzenoberfläche zu ermitteln. Die so erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den Simulationen überein.

•Jan 1, 2016•0 citations

Dicke superradiance as a nondestructive probe for optical lattices

Nicolai ten Brinke

Wir entwickeln eine neue, umfassende Methode zur zerstörungsfreien Messung ultrakalter Atome in optischen Gittern, die auf den spezifischen Eigenschaften von Dicke-Superradianz basiert. Insbesondere schlagen wir ein Pump-Probe-Schema vor, in dem ein einzelnes Photon von einem Ensemble von Atomen in einem optischen Gitter zunächst kollektiv und kohärent absorbiert, dann für eine variable Zeitspanne gespeichert, und schließlich kollektiv reemittiert wird. Im Falle unbeweglicher Atome erwartet man gerichtete, superradiante Emission aufgrund der Kohärenz des atomaren Dicke-Zustands, der durch die kollektive Absorption des Photons erzeugt wird. Dementgegen betrachten wir jedoch bewegliche Atome in einem optischen Gitter, die wir durch die zwei am häufigsten betrachteten Modellsysteme beschreiben -- das Bose-Hubbard-Modell und das Fermi-Hubbard-Modell. Im Allgemeinen beeinträchtigt die Gitterdynamik die räumliche Phasenkohärenz des Dicke-Zustands, wodurch wiederum die superradianten Emissionseigenschaften verändert werden. Umgekehrt können über die Messung der Emissionseigenschaften Rückschlüsse auf den Quantenzustand der Atome im optischen Gitter gezogen werden. Im Hauptteil der vorliegenden Dissertation untersuchen wir detailliert die Emissionseigenschaften für verschiedene Anfangszustände des Gitters und diskutieren ob diese mit der vorgestellten Messmethode unterschieden werden können. Dabei zeigen wir, dass im Falle von bosonischen Atomen zwischen angeregten Zuständen und dem superfluiden Grundzustand differenziert werden kann, während bei Fermionen der Mott-Néel-Zustand vom metallischen Grundzustand unterschieden werden kann. Ferner ist das Pump-Probe-Schema prädestiniert zur Erforschung von Nichtgleichgewichts-Phänomenen, wie z.B. Quanten-Phasenübergängen. Deshalb untersuchen wir, inwiefern ein adiabatischer Phasenübergang von einem Mott-Isolator zur superfluiden bzw. metallischen Phase von einem abrupten (d.h. nichtadiabatischen) Übergang unterschieden werden kann. Im Gegensatz zu fast allen gängigen Messmethoden, wie z.B. Time-of-Flight-Messungen oder In-situ-Abbildungen, kann die vorgestellte Messmethode als zerstörungsfrei angesehen werden, da die kohärente Interaktion mit einem einzelnen Photon nicht die Phasenkohärenz des Zustands des Gitters zerstört. Zuletzt untersuchen wir eine abgewandelte Messmethode, die klassische Laserfelder anstatt einzelner Photonen einsetzt, und zeigen, dass diese vergleichbare Eigenschaften aufweist, während sie womöglich einfacher experimentell umzusetzen ist. Außerdem geben wir weitere Anregungen zur experimentellen Realisierung.

•Nov 3, 2016•0 citations

Quantenmechanische Streuung der elektrischen Feldstärke einer gestörten Resonator‐Eigenschwingung

J. Frahm

Annalen der Physik•Jan 1, 1966•12 citations

Zur Statistik eines Fermi‐Dirac‐Gases in Wechselwirkung mit einem Bose‐Einstein‐Gas

Frank Kaschluhn

Annalen der Physik•Jan 1, 1955•2 citations
ZusammenfassungDas Mehrteilchenproblem der Atomphysik konnte, wie die meisten Probleme der Quantenphysik, erst auf Grund der modernen Quantenmechanik in Angriff genommen werden. Die ältere Bohrsche Quantentheorie hat bei der Behandlung des Mehrteilchenproblems vollkommen versagt, denn es zeigte sich, daß schon das einfachste Mehrteilchenproblem, das He-Problem, bei dem sich im Feld eines Kernes nur zwei Elektronen bewegen, zu unüberwindlichen Schwierigkeiten führte, und es ist auf Grund der Bohrschen Atomtheorie nicht gelungen, ein He-Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften des He-Atoms zu erklären vermag. Durch die Entdeckung der Quantenmechanik, die man in erster Linie De Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Dirac zu verdanken hat, änderte sich diese Lage mit einem Schlag. Durch die Quantenmechanik wurde für die gesamte Quantenphysik ein neues Fundament geschaffen, aus dem sich eine in sich geschlossene und widerspruchsfreie Theorie des Mehrteilchenproblems entwickeln konnte. Natürlich muß man gerade so wie beim berüchtigten astronomischen Drei- und Mehrkörperproblem darauf verzichten, das Problem in seinem vollen Umfang anzugreifen; es werden immer nur spezielle, in der Natur wichtige Teilprobleme zu lösen sein, und jedes dieser Teilprobleme erfordert wohlüberlegte und kunstvolle mathematische Approximationen.
Sogenannte wechselwirkungsfreie Messungen sind ein aus der Quantenmechanik bekanntes Interferenzphänomen, mit dessen Hilfe die Anwesenheit eines Objekts detektiert werden kann, ohne das Objekt in irgendeiner Weise zu stören. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen. Integriert in ein Mikroskop könnte diese Technik es ermöglichen, die bei Elektronenmikropskopie auftretenden Strahlenschäden erheblich zu reduzieren. Es werden verschiedene Ansätze zur Realisierung von wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen und die dabei auftretenden Schwierigkeiten besprochen. Hauptthema hierbei ist der benötigte Elektronen-Strahlteiler. Wir stellen einen möglichen Ansatz vor, der auf der Kontrolle und dem Einschluss eines Elektronenstrahls durch Mikrowellenfelder beruht. Mit diesem Strahlteiler ist es gelungen, einen langsamen Elektronenstrahl mit kinetischer Energie von ungefähr 1 eV in zwei Strahlen zu spalten. Wir diskutieren in einem vereinfachten quantenmechanischen Modell, welche Eigenschaften ein solcher Strahlteiler aufweisen muss, um Elektronenwellen ohne Störung zu teilen und wechselwirkungsfreie Messungen zu ermöglichen. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Anwendung von interaktionsfreien Messungen in der Bildgebung, insbesondere mit der Frage, inwiefern sie die Messung und Unterscheidung von Graustufen erlauben. Es stellt sich heraus, dass die Messung von Graustufen im typischen Interferenzaufbau einer wechselwirkungsfreien Messung zwar möglich ist, aber der dabei entstehende Schaden am Messobjekt nur in speziellen Fällen geringer ist als in einer herkömmlichen Transmissionsmessung. Wir untersuchen auch den Einfluss von Phasenverschiebungen. Bei Messobjekten, die Graustufen aufweisen und Phasenverschiebungen verursachen, können wechselwirkungsfreie Messungen für Objekte mit hoher Transparenz weniger Schaden verursachen als konventionelle Transmissionsmessungen und Messungen mit einem Mach-Zehnder-Interferometer. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die optische Feldverstärkung an Nanospitzen. Wir untersuchen in numerischen Simulationen über einen großen Parameterbereich, wie die Höhe der Feldverstärkung von der Geometrie und dem Material der Spitze abhängt. Dabei stellen wir fest, dass neben dem Krümmungsradius der Spitze auch der Öffnungswinkel einen überraschend großen Einfluss auf die Feldverstärkung hat, welchen wir durch ein vereinfachtes Modell qualitativ erklären können. Anwendung findet die optische Feldverstärkung in der Photoemission von Elektronen aus scharfen Metallspitzen. Hierzu zeigen wir Experimente in verschiedenen Regimes der Photoemission: einerseits Multiphotonenemission mit einem Erbium-Faserlaser und andererseits Photoemission im Starkfeldregime mit einem Titan-Saphir-Oszillator. Letztere Messungen erlauben es, mit Hilfe einer neuen, auf Elektronen-Rückstreuung beruhenden Methode die optische Feldverstärkung in unmittelbarer Nähe der Spitzenoberfläche zu ermitteln. Die so erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den Simulationen überein.
Wir entwickeln eine neue, umfassende Methode zur zerstörungsfreien Messung ultrakalter Atome in optischen Gittern, die auf den spezifischen Eigenschaften von Dicke-Superradianz basiert. Insbesondere schlagen wir ein Pump-Probe-Schema vor, in dem ein einzelnes Photon von einem Ensemble von Atomen in einem optischen Gitter zunächst kollektiv und kohärent absorbiert, dann für eine variable Zeitspanne gespeichert, und schließlich kollektiv reemittiert wird. Im Falle unbeweglicher Atome erwartet man gerichtete, superradiante Emission aufgrund der Kohärenz des atomaren Dicke-Zustands, der durch die kollektive Absorption des Photons erzeugt wird. Dementgegen betrachten wir jedoch bewegliche Atome in einem optischen Gitter, die wir durch die zwei am häufigsten betrachteten Modellsysteme beschreiben -- das Bose-Hubbard-Modell und das Fermi-Hubbard-Modell. Im Allgemeinen beeinträchtigt die Gitterdynamik die räumliche Phasenkohärenz des Dicke-Zustands, wodurch wiederum die superradianten Emissionseigenschaften verändert werden. Umgekehrt können über die Messung der Emissionseigenschaften Rückschlüsse auf den Quantenzustand der Atome im optischen Gitter gezogen werden. Im Hauptteil der vorliegenden Dissertation untersuchen wir detailliert die Emissionseigenschaften für verschiedene Anfangszustände des Gitters und diskutieren ob diese mit der vorgestellten Messmethode unterschieden werden können. Dabei zeigen wir, dass im Falle von bosonischen Atomen zwischen angeregten Zuständen und dem superfluiden Grundzustand differenziert werden kann, während bei Fermionen der Mott-Néel-Zustand vom metallischen Grundzustand unterschieden werden kann. Ferner ist das Pump-Probe-Schema prädestiniert zur Erforschung von Nichtgleichgewichts-Phänomenen, wie z.B. Quanten-Phasenübergängen. Deshalb untersuchen wir, inwiefern ein adiabatischer Phasenübergang von einem Mott-Isolator zur superfluiden bzw. metallischen Phase von einem abrupten (d.h. nichtadiabatischen) Übergang unterschieden werden kann. Im Gegensatz zu fast allen gängigen Messmethoden, wie z.B. Time-of-Flight-Messungen oder In-situ-Abbildungen, kann die vorgestellte Messmethode als zerstörungsfrei angesehen werden, da die kohärente Interaktion mit einem einzelnen Photon nicht die Phasenkohärenz des Zustands des Gitters zerstört. Zuletzt untersuchen wir eine abgewandelte Messmethode, die klassische Laserfelder anstatt einzelner Photonen einsetzt, und zeigen, dass diese vergleichbare Eigenschaften aufweist, während sie womöglich einfacher experimentell umzusetzen ist. Außerdem geben wir weitere Anregungen zur experimentellen Realisierung.