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Quantenphysik: Stringtheorie für Festkörper

Ein typisches Phänomen der Quantenwelt ist die so genannte Verschränkung. Sie wurde bisher nur an einzelnen Teilchen oder winzigen Molekülwolken untersucht, doch auch die Partikel in einem Festkörper können hochkomplexe Quantenzustände bilden. Zu deren Beschreibung eignet sich überraschenderweise die Stringtheorie der Teilchenphysik.
Verschränkung am Beispiel eines Magneten über einem Supraleiter

Dass ich jemals an einer Konferenz für Stringtheoretiker teilnehmen würde, hätte ich mir bis vor einigen Jahren nicht träumen lassen. Mein Gebiet ist die Festkörperphysik. Wir erforschen Metalle und Supraleiter, die wir im Labor auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Das hat erst einmal nichts mit Stringtheorie zu tun. Deren Experten rechnen mit Energieniveaus weit oberhalb all dessen, was sich im Labor erzeugen oder im bekannten Universum beobachten lässt. Sie erkunden die exotische Physik Schwarzer Löcher und zusätzliche Dimensionen der Raumzeit. Für sie ist die Gravitation die dominante Naturkraft; für mich spielt sie keine Rolle.

Den höchst unterschiedlichen Forschungsgebieten entsprechen zwei einander ziemlich fremde Denkweisen. Stringtheoretiker genießen hohes Ansehen, und ich besuchte ihre Konferenz voll Ehrfurcht vor ihrem mathematischen Können. Mehrere Monate lang hatte ich einschlägige Artikel und Bücher gelesen – und nur zu oft den Faden verloren. Ohne Zweifel würden die Stringtheoretiker mich als ignoranten Anfänger abtun. Umgekehrt waren ihnen die einfachsten Begriffe meines Fachgebiets nicht vertraut. Ich musste erklärende Skizzen zeichnen, die ich sonst nur in Anfängervorlesungen verwende.

Was also suchte ich dort? In den letzten Jahren haben wir Festkörperphysiker verblüffende Beobachtungen gemacht: Unsere Materialien bilden Phasenzustände, die sich nur durch ein zutiefst quantenphysikalisches Naturphänomen erklären lassen. ...

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Spektrum der Wissenschaft – Vielfältige Quanten

Wir tauchen ein in die Welt der Quanten, die uns noch immer zahlreiche Rätsel aufgibt. Forscher entwickeln ständig neue Modelle und hinterfragen Grundlegendes, wie beispielsweise das Konzept der Zeit. Gleichzeitig macht die Entwicklung neuer Quantencomputer große Fortschritte und könnte unsere Verschlüsselungssysteme bedrohen. Experten arbeiten an neuen Methoden, um unsere Daten zu schützen. Erfahren Sie, wie diese Herausforderungen gemeistert werden und ob Kryptografen den Wettlauf gegen die Zeit gewinnen können.

Spektrum der Wissenschaft – Quantencomputer

Supraleitende Schaltkreise, neutrale Atome oder Ionenfallen – es gibt viele verschiedene Ansätze, Qubits zu realisieren. Welche Technologie am Ende im Quantencomputer stecken wird, ist noch offen. Wir geben einen Überblick über die sechs aktuellen Favoriten. Außerdem im Heft: In Island planen Wissenschaftler, im Bereich der Krafla zu einem Reservoir mit flüssigem Gestein vorzudringen. So wollen sie erstmals Magma direkt erforschen – und geothermische Energie erschließen. Wir stellen außerdem die ersten überraschenden Ergebnisse von Gesteinsproben des Asteroiden Bennu vor, die aus zu den Anfängen des Sonnensystems stammen. Die ältesten Höhlenmalereien finden sich auf Indonesien. Fachleute suchen nach den Ursachen, warum diese seit Ihrer Entdeckung plötzlich verfallen.

Spektrum der Wissenschaft – Eine neue Weltformel

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  • Quellen

Johnson, C. I., Steinberg, P.:What Black Holes Teach about Strongly Coupled Particles. In: Physics Today 63, S. 29 - 33, 2010

Klebanov, I. R., Maldacena, J. M.:Solving Quantum Field Theories in Curved Spacetimes. In: Physics Today 62, S. 28 - 33, 2009

Sachdev, S., Keimer, B.:Quantum Criticality. In: Physics Today 64, S. 29 - 35, 2011

Sachdev, S.:What can Gauge-Gravity Duality Teach us about Condensed Matter Physics? In: Annual Review of Condensed Matter Physics 3, S. 9 - 33, 2012

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