Forschung in der Theoretischen Physik

Statistische Physik komplexer Systeme: Chaotische Streuung – über 50 Jahre altes Problem gelöst

Das Wort „Chaos“ verbindet man mit Strukturlosigkeit, allerdings können gerade daraus universelle statistische Eigenschaften entstehen. Ein Großteil dessen, was wir über Quantensysteme wissen, stammt aus Streuexperimenten. Vor über 50 Jahren stieß man in der Kernphysik auf die Frage, wie universell die Verteilung der Wirkungsquerschnitte ist. Später verstand man den engen Zusammenhang zur chaotischen Dynamik und die große Allgemeinheit der Fragestellung für die chaotische Streuung beliebiger Quantensysteme, konnte aber das Problem wegen seiner sehr komplizierten mathematischen Struktur nicht lösen. Dies gelang den Mitgliedern der Forschungsgruppe von Prof. Guhr nun in einer internationalen Kollaboration, die ein in der Gruppe entwickeltes supersymmetrisches Verfahren zur Lösung des statistischen Problems benutzte.

Nanoteilchen im Quantenregime

Wendet man die Quantenphysik, die den Mikrokosmos perfekt beschreibt, nicht auf Atome oder Lichtteilchen an, sondern auf große Objekte, so führt sie zu Vorhersagen, die unsere „klassische“ Alltagserfahrung auf den Kopf stellen. Ein und derselbe Gegenstand sollte sich dann gleichzeitig an mehreren Orten befinden können, und in seinem Verhalten auch dadurch bestimmt werden, ob man ihn beobachtet oder nicht. Die Arbeitsgruppe von Prof. Hornberger erforscht Systeme, die im Übergangsbereich zwischen diesem Quantenregime und der klassischen Physik liegen.

Ein Schwerpunkt der letzten beiden Jahre liegt hier in der theoretischen Beschreibung der Kreiseldynamik von nanoskaligen Stäbchen, die durch Laserlicht in der Schwebe gehalten werden. In Anwendung dieser Theorien konnte ein höchst präziser Druck- und Drehmomentsensor demonstriert sowie ein realistischer Vorschlag ausgearbeitet werden, den Zustand des Nanoteilchens in eine Schrödinger-Katze unerreichter Makroskopizität zu verwandeln.