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Auf der Suche nach den Anyonen Neues Verfahren soll fundamentale Teilchen nachweisen

21.06.2011 - (idw) Ludwig-Maximilians-Universität München

Die Quantenphysik kennt zwei fundamentale Teilchensorten: Zu den Bosonen gehören etwa die Photonen des Lichts, während zu den Fermionen unter anderem die Protonen und Neutronen des Atomkerns gezählt werden. Bosonen und Fermionen unterscheiden sich grundlegend in ihrem Verhalten. Das wird in der sogenannten Quantenstatistik festgehalten, die auch für die Identifizierung der Teilchen herangezogen wird. Seit den 1980er Jahren aber wird eine dritte fundamentale Teilchensorte postuliert: Die Anyonen liegen mit ihrer Quantenstatistik genau zwischen Bosonen und Fermionen. Sie wären so etwas wie ein fehlendes Bindeglied zwischen den beiden bisher bekannten fundamentalen Teilchensorten, sagt der LMU-Physiker Dr. Tassilo Keilmann. Die Anyonen müssen nach den Gesetzen der Quantentheorie existieren konnten bislang aber in der Natur noch nicht nachgewiesen werden.

Unter Keilmanns Leitung ist nun ein internationales Team der Frage nachgegangen, ob sich Anyonen in einem realistischen Experiment künstlich erzeugen lassen. Mit Erfolg: Die rein theoretisch arbeitenden Physiker entwickelten das Design für ein Experiment, bei dem herkömmliche Atome in sogenannten optischen Gittern eingefangen werden. Nach den Berechnungen sollten die Wechselwirkungen der Atome dann so manipuliert werden können, dass tatsächlich Anyonen entstehen und nachgewiesen werden können. Während Bosonen und Fermionen dank ihres konstanten Verhaltens jeweils nur einen festgelegten Wert in der Quantenstatistik aufweisen, wäre die exotische Quantenstatistik der Anyonen frei einstellbar und würde zwischen den Endpunkten der Bosonen und Fermionen interpolieren. Diese neuen Quantenteilchen könnten sich im Lichtgitter bewegen, sagt Keilmann. Noch bedeutender aber ist, dass sie und damit auch ihre Quantenstatistik während des Experiments kontinuierlich veränderbar wären. Denkbar wäre dann etwa auch, in einem Test Bosonen kontinuierlich in Anyonen zu verwandeln, bis diese am Ende zu reinen Fermionen werden. Eine solche Verwandlung käme einem neuartigen statistisch induzierten Quantenphasenübergang gleich, so dass die Teilchen etwa für den Bau von Quantencomputern genutzt werden könnten, die herkömmlichen Rechnern weit überlegen sind. Wir haben den Weg zum ersten Nachweis der Anyonen eröffnet, sagt Keilmann. Experimentalphysiker sollen dies nun mit Hilfe bereits laufender Experimente in die Tat umsetzen. (suwe)

Publikation:
Statistically induced Phase Transitions and Anyons in 1D Optical Lattices
Tassilo Keilmann, Simon Lanzmich, Ian McCulloch & Marco Roncaglia
Nature Communications
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1353

Ansprechpartner:
Dr. Tassilo Keilmann
Lehrstuhl für Theoretische Nanophysik
Ludwig-MaximiliansUniversität München
Tel.: 0151 2525 9463
E-Mail: tassilo.keilmann@lmu.de
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