Quantenphysik: Zwei gegensätzliche Theorien vereint

In der Quantenphysik gibt es ein altes Problem: Wie verhält sich ein einzelnes, fremdes Teilchen, wenn es in eine große Menge anderer Teilchen eintaucht? Bislang gab es zwei konkurrierende Theorien, die sich gegenseitig auszuschließen schienen. Die eine beschreibt ein leichtes, bewegliches Teilchen, das die umgebenden Teilchen mit sich zieht und so ein sogenanntes Quasiteilchen bildet – den Fermi-Polaron. Die andere Theorie gilt für ein extrem schweres, fast unbewegliches Teilchen: Hier verändert es die umgebenden Teilchen so stark, dass keine Quasiteilchen mehr entstehen können – ein Phänomen, das als Andersonsche Orthogonalitätskatastrophe bekannt ist. Jahrzehntelang fehlte eine Theorie, die beide Fälle unter einen Hut bringt.

Forscher der Universität Heidelberg haben nun genau das geschafft. Ihr neues theoretisches Modell zeigt, dass selbst extrem schwere Teilchen nie völlig stillstehen. Durch winzige Bewegungen entsteht eine Energielücke, die es ermöglicht, dass Quasiteilchen auch in solchen Systemen auftauchen. Damit verbindet das Modell die beiden bisher getrennten Welten. „Unser theoretischer Rahmen erklärt, wie Quasiteilchen in Systemen mit extrem schweren Verunreinigungen entstehen“, sagt Eugen Dizer, Doktorand am Institut für Theoretische Physik und Mitautor der Studie.

Die Arbeit ist nicht nur ein theoretischer Durchbruch. Sie hat auch praktische Bedeutung für Experimente mit ultrakalten Atomgasen, zweidimensionalen Materialien und neuartigen Halbleitern. „Unsere Forschung ist direkt relevant für laufende Experimente“, betont Prof. Dr. Richard Schmidt, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenmaterie-Theorie. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht und entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters STRUCTURES und des Sonderforschungsbereichs ISOQUANT.