Far-from-equilibrium Quantum Dynamics Group

Research:

  • Quantenfeldtheorie von Vielteilchensystemen fern des Gleichgewichts

    Neue Methoden zur Berechnung der Dynamik von Quantenfeldern fern des Gleichgewichts, einschließlich ihrer Thermalisierung, eröffnen vielfältige Anwendungsbereiche von großer aktueller Bedeutung. Auf extrem unterschiedlichen Energieskalen setzt die Erforschung physikalischer Phänomene in zunehmendem Maße ein genaues Verständnis der Langzeitdynamik von Quantenfeldern im Nichtgleichgewicht voraus. Quantenfeldtheoretische Methoden für das Nichtgleichgewicht haben in jüngster Zeit durch bedeutende experimentelle Entwicklungen in der Vielteilchenphysik bei tiefsten Temperaturen einen neuen Anwendungsbereich gewonnen. Kompakte Laborexperimente mit ultrakalten Quantengasen eröffnen eine ungeahnte Vielzahl von Möglichkeiten, neue theoretische Methoden zu überprüfen und anzuwenden. In der Kosmologie stellt die explosive Teilchenproduktion am Ende des inßationären Universums eine solche Herausforderung für die Quantenfeldtheorie dar. Ein weiteres Beispiel sind die hochenergetischen Kollisionsexperimente mit schweren Ionen, die gegenwärtig am Relativistic Heavy Ion Collider (Brookhaven National Laboratory, New York) sowie in naher Zukunft am Large Hadron Collider (CERN, Genf) und an der FAIR-Einrichtung (GSI, Darmstadt) durchgeführt werden. In diesen Experimenten werden neue Materiezustände unter extremen Nichtgleichgewichts-Bedingungen erforscht, und beobachtete Anzeichen einer sich anschliessenden Thermalisierung stecken der theoretischen Physik anspruchsvolle Ziele.

    Die gewöhnliche Störungsrechnung führt in der Quantentheorie zu einer sekulären Zeitentwicklung. Sie stellt daher eine Näherung dar, die auch für kleine Kopplungen nach kurzer Zeit zusammenbricht, so daß alternative Methoden angewandt werden müssen. Standard-Verfahren wie die der Hartree(-Fock) -Molekularfeldnäherung, sind unzureichend. Insbesondere erlauben sie nicht die Beschreibung des Thermalisierens.

    Einen entscheidenden Fortschritt in diesem Bereich brachte die Kombination von nicht-perturbativen, analytischen Methoden auf der Basis von sogenannten 2-Teilchen-irreduziblen (2PI) erzeugenden Funktionalen für Greensche Funktionen, in Verbindung mit einer effizienten numerischen Implementierung. Letzteres wurde insbesondere durch Parallelisierung auf PC-Cluster sowie auf dem dem Institut für Theoretische Physik zur Verfügung stehenden BWGrid-Cluster am Universitätsrechenzentrum möglich. Mit Hilfe von systematischen Kopplungs- oder 1/N-Entwicklungen der 2PI effektiven Wirkung ist es möglich, die Nichtgleichgewichts-Dynamik und ein anschließendes Thermalisieren von Quantenfeldern ohne weitere Annahmen zu beschreiben.

    Auf dem Gebiet der Physik der ultrakalten Quantengase sind durch die Kombination geeigneter Fallentechniken mit Methoden zur Manipulation der interatomaren Wechselwirkungen vielfältige Möglichkeiten entstanden, Vielteilchensysteme in extremen Nichtgleichgewichts-Konfigurationen zu präparieren und ihre dynamische Entwicklung präzise zu beobachten. Auf diese Weise lassen sich dynamische Theorien für Vielteilchensysteme untersuchen, deren Eigenschaften wie etwa Dichte und Wechselwirkungsstärke sich über weite Bereiche beliebig einstellen lassen. Für die theoretische Beschreibung dieser Physik mittels der 2PI Methoden ist es wesentlich, daß diese nicht nur die Zeitevolution fern des Gleichgewichts, sondern z.B. auch dynamische kritische Phänomene z.B. in einem turbulenten System beschreiben können.

    Die Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen in der Experimentalphysik insbesondere auch in Heidelberg stellt für uns ein wesentliches Element der Forschung dar, in welcher die theoretischen Methoden weiterentwickelt werden werden können. Kollaborationsprojekte laufen im Rahmen des Centers for Quantum Dynamics, mit den Gruppen von Prof. Dr. M. Oberthaler sowie Prof. Dr. S. Jochim und Prof. Dr. M. Weidemüller.