Uno degli obiettivi della scienza è trovare descrizioni fisiche della natura studiando come i componenti di base del sistema interagiscono tra loro. Per sistemi complessi a molti corpi, teorie efficaci sono spesso utilizzate a tal fine. Consentono di descrivere le interazioni senza dover osservare un sistema alla più piccola delle scale. I fisici dell'Università di Heidelberg hanno ora sviluppato un nuovo metodo che consente di identificare sperimentalmente tali teorie con l'aiuto dei cosiddetti simulatori quantistici. I risultati dello sforzo di ricerca, guidato dal Prof. Dr. Markus Oberthaler (fisica sperimentale) e dal Prof. Dr. Jürgen Berges (fisica teorica), sono stati pubblicati sulla rivista Fisica della natura .

Derivare previsioni sui fenomeni fisici a livello delle singole particelle da una descrizione microscopica è praticamente impossibile per i sistemi di grandi dimensioni. Questo vale non solo per i sistemi a molti corpi della meccanica quantistica, ma anche alla fisica classica, come quando l'acqua riscaldata in una pentola deve essere descritta a livello delle singole molecole d'acqua. Ma se un sistema viene osservato su larga scala, come le onde dell'acqua in una pentola, nuove proprietà possono diventare rilevanti a determinate condizioni. Per descrivere tale fisica in modo efficiente, vengono utilizzate teorie efficaci. "La nostra ricerca mirava a identificare queste teorie in esperimenti con l'aiuto di simulatori quantistici, " spiega Torsten Zache, l'autore principale della parte teorica dello studio. I simulatori quantistici sono usati per modificare più semplicemente i sistemi a molti corpi e per calcolarne le proprietà.

I fisici di Heidelberg hanno recentemente dimostrato il loro metodo appena sviluppato in un esperimento su atomi di rubidio ultrafreddi, che vengono catturati in una trappola ottica e portati fuori equilibrio. "Nello scenario che abbiamo preparato, gli atomi si comportano come minuscoli magneti il ​​cui orientamento siamo in grado di leggere con precisione utilizzando nuovi processi, "secondo Maximilian Prüfer, l'autore principale sul lato sperimentale dello studio. Per determinare le interazioni effettive di questi "magneti, ' l'esperimento deve essere ripetuto diverse migliaia di volte, che richiede estrema stabilità.

"I concetti teorici sottostanti ci consentono di interpretare i risultati sperimentali in un modo completamente nuovo e quindi di ottenere intuizioni attraverso esperimenti in aree che finora sono state inaccessibili attraverso la teoria, " fa notare il prof. Oberthaler. "A sua volta, questo può parlarci di nuovi tipi di approcci teorici per descrivere con successo le leggi fisiche rilevanti in sistemi complessi a molti corpi, " afferma il Prof. Berges. L'approccio utilizzato dai fisici di Heidelberg è trasferibile a una serie di altri sistemi, aprendo così un territorio rivoluzionario per le simulazioni quantistiche. Jürgen Berges e Markus Oberthaler sono fiduciosi che questo nuovo modo di identificare teorie efficaci consentirà di rispondere a domande fondamentali in fisica.