Nr. 28 / 2003

13. Februar 2003 : Thermostaten und Vielteilchensysteme - Physiker an der Universität Osnabrück entwickeln thermisches Simulationsmodell

Wohl jeder hat ein Gefühl dafür, was heiß und kalt ist. »Theoretische Physiker habe es da schwerer, denn sie wollen genau verstehen, wie sich bestimmte Systeme bei einer vorgegebenen Temperatur verhalten. Solche Vorhersagen sind nur für ganz einfache Systeme möglich«, erklärt der Osnabrücker Physiker Dr. Jürgen Schnack. In den letzten fünfzehn Jahren wurden deshalb Verfahren entwickelt, die ein klassisches System in seiner Zeitentwicklung so beschreiben, wie es sich wirklich verhält. Physiker an der Universität Osnabrück haben unter Leitung von Privatdozent Schnack ein Simulationsmodell entwickelt. Damit kann das thermische Verhalten bestimmter Quantenvielteilchensysteme beschrieben werden.

»Wasser in einem Topf, wird warm, weil die Moleküle des Wassers durch die Bewegung der Topfwand angestoßen werden und dadurch Energie übertragen bekommen. Wäre das Wasser heißer als der Topf, würde der Prozess das Entgegengesetzte bewirken, nämlich Energie an den Topf abgeben«, erläutert Schnack. Verfahren, die solche Prozesse der klassischen Physik simulieren können, nennt man Thermostaten, die bekanntesten sind Nose-Hoover-Thermostaten. Mit ihnen können inzwischen viele Prozesse, zum Beispiel Phasenübergänge, bei denen das Medium seine Eigenschaften stark ändert (Schmelzen, Glasbildung etc.), erfolgreich beschrieben werden.

Solche klassischen Verfahren sollten sich auch in die Sprache der Quantenmechanik, die eine adäquate Beschreibung auf dem Niveau mikroskopischer Teilchen darstellt, übersetzen lassen. Schnack: »Dem ist leider nicht so, die Quantenmechanik stellt zusätzliche Hemmnisse bereit. Sie resultieren daraus, dass es in der Quantenmechanik ungleich komplizierter ist, die Zeitentwicklung eines Systems zu beschreiben. Die dazu benötigte Schrödingergleichung ist für alle interessanten Fälle praktisch unlösbar.«

Der Osnabrücker Physiker Detlef Mentrup hat in seiner Doktorarbeit einen großen Schritt in Richtung quantenmechanischer Nose-Hoover-Thermostaten gemacht. So konstruierte er einen Thermostaten, mit dem ideale Quantengase, sogenannte Fermi- oder Bosegase, im Potential des harmonischen Oszillators beschrieben werden können. Diese Systeme sind auch deshalb interessant, weil mit ihnen das Verhalten von Fermionen und Bosonen in magnetischen oder optischen Fallen simuliert werden kann. In diesen Vielteilchensystemen lassen sich exotische Materiezustände kreieren, so zum Beispiel das Bosekondensat, für dessen Realisierung es 2001 den Physiknobelpreis gab. »Wir planen, dem erfolgreich abgeschlossenen Projekt ein weiteres folgen zu lassen«, erklärt Schnack.

Weitere Informationen:
PD Dr. Jürgen Schnack, Universität Osnabrück, Fachbereich Physik,
Barbarastraße 7, 49069 Osnabrück, Tel. +49 541 969 2695, Fax. +49 541 969 12695
e-mail: Juergen.Schnack@pyhsik.Uni-Osnabrueck.DE