Ett mål för vetenskapen är att hitta fysiska beskrivningar av naturen genom att studera hur grundläggande systemkomponenter interagerar med varandra. För komplexa många kroppssystem, effektiva teorier används ofta för detta ändamål. De gör det möjligt att beskriva interaktionerna utan att behöva observera ett system på den minsta skalan. Fysiker vid Heidelbergs universitet har nu utvecklat en ny metod som gör det möjligt att experimentellt identifiera sådana teorier med hjälp av så kallade kvantsimulatorer. Resultaten av forskningsinsatsen, ledd av Prof. Dr. Markus Oberthaler (experimentell fysik) och Prof. Dr. Jürgen Berges (teoretisk fysik), publicerades i tidskriften Naturfysik .

Att härleda förutsägelser om fysiska fenomen på nivån för enskilda partiklar från en mikroskopisk beskrivning är praktiskt taget omöjligt för stora system. Detta gäller inte bara kvantmekaniska mångakroppssystem, men också till klassisk fysik, som när uppvärmt vatten i en kokgryta behöver beskrivas i nivå med de enskilda vattenmolekylerna. Men om ett system observeras i stor skala, som vattenvågor i en kruka, nya fastigheter kan bli aktuella under vissa förutsättningar. För att beskriva sådan fysik effektivt, effektiva teorier används. "Vår forskning syftade till att identifiera dessa teorier i experiment med hjälp av kvantsimulatorer, "förklarar Torsten Zache, huvudförfattaren till den teoretiska delen av studien. Kvantsimulatorer används för att enklare modifiera många kroppssystem och för att beräkna deras egenskaper.

Heidelberg-fysikerna demonstrerade nyligen sin nyutvecklade metod i ett experiment på ultrakalla rubidiumatomer, som fångas i en optisk fälla och förs ur jämvikt. "I scenariot vi förberedde, atomerna beter sig som små magneter vars orientering vi kan avläsa exakt med hjälp av nya processer, " enligt Maximilian Prüfer, huvudförfattaren på den experimentella sidan av studien. För att bestämma den effektiva interaktionen mellan dessa 'magneter, "experimentet måste upprepas flera tusen gånger, som kräver extrem stabilitet.

"De underliggande teoretiska begreppen gör att vi kan tolka experimentresultaten på ett helt nytt sätt och därigenom genom experiment få insikter i områden som hittills varit otillgängliga genom teori, " påpekar Prof. Oberthaler. "I sin tur, detta kan berätta om nya typer av teoretiska tillvägagångssätt för att framgångsrikt beskriva relevanta fysiska lagar i komplexa mångakroppssystem, " konstaterar Prof. Berges. Det tillvägagångssätt som Heidelberg-fysikerna använde kan överföras till ett antal andra system, därmed öppnas banbrytande territorium för kvantsimuleringar. Jürgen Berges och Markus Oberthaler är övertygade om att detta nya sätt att identifiera effektiva teorier kommer att göra det möjligt att svara på grundläggande frågor inom fysiken.