Fermi-Flüssigkeiten bei hohem Impulsübertrag

Dieses Projekt schlägt vor, das Anregungsspektrum sehr dünner (quasi- zwei-dimensionaler) He Filme zu untersuchen, und zwar im bislang weitgehend unerforschten Wellenlängen-Bereich von ca. 10 -15nm. Die Forschungen werden dabei parallel experimentell wie auch theoretisch erfolgen, wobei die Messungen vom CNRS/ILL Team in Grenoble durchgeführt werden, und die Theorie an der Abteilung Vielteilchensysteme der JKU Linz entwickelt wird. Die Untersuchungen in diesem Impulsgebiet sind nicht Selbstzweck, sondern weil wir Evidenz von Anregungsmechanismen sehen, die ein gewisses Umdenken in der generellen theoretischen Beschreibung der Dynamic stark wechselwirkender Fermi-Flüssigkeiten erfordern werden. Die experimentellen Arbeiten werden die Dynamik fermionischer Quantenfluide bei so hohen Wellenzahlen untersuchen, so dass die Anregungen jenseits des konventionell als "Landau Dämpfung" bezeichneten Graubereichs liegen; sie können daher neue Informationen über die Natur der dynamischen Korrelationen in solchen Systeme liefern. Die Motivation für unsere Arbeiten resultiert aus einem Pilotprojekt: Neutronenstreu-Experimenten bei diesen Wellenlängen zeigen den deutlichen Fingerabdruck einer kollektiven Mode, welche jenseits des Gebietes der Landau Dämpfung wieder auftaucht. Diese Beobachtung ist nicht nur neu und unerwartet per se, sondern hat weitreichende konzeptionelle Konsequenzen. Es ist üblich, niederenergetische Anregungen in Fermi-Flüssigkeiten mit dem Paradigma der "Quasi-Teilchen" zu beschreiben, demzufolge der Effekt des Kollektivs sich vorwiegend in modifizierten Eigenschaften der individuellen Teilchen (wie einer effektiven Masse) auswirkt. Um jedoch die obigen Messungen konsistent erklären zu können, ist es unumgänglich, das Konzept dynamischer Paarfluktuationen in die Theorie einzuführen. Diese können nicht durch die Quantenzahlen eines einzelnen (Quasi-)Teilchens charakterisiert werden. Eine solche neue Sicht erfordert sorgsame und systecdmatische Untersuchungen. Unseer Ziel ist die Entwicklung einer Theorie, die konsistent kollektive, Einteilchen- und "multi-pair"-Anregungen beschreibt. Der von uns anvisierte Zugang im Formalismus korrelierter, nicht-orthogonaler Basisfunktionen kombiniert Diagram- Summationen mit funktionaler Optimierung und ausführlicher numerischer Analyse.

Das Ziel mikroskopischer Vielteilchen-Theorie ist die quantitative Vorher- sage von makroskopischen Eigenschaften stark wechselwirkender Vielteilchen- Systeme, ausgehend von keiner anderen Information als ein zugrunde liegen- der Hamilton-Operator, Teilchenzahl, Teilchenmasse, Statistik, und gegebenenfalls der Temperatur. Die vergangenen Jahre haben enorme Fortschritte gebracht: Die Grundzustands-Eigenschaften selbst der am stärksten korrelierten Quantenflüssigkeiten, nämlich 3He und 4He, können heute mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Die Situation für dynamische Prozesse war für Jahrzehnte unbefriedigender.Das Ziel unseres Projektes war, diese Diskrepanz zu schließen und das theoretische Verständnis der Dynamik stark korrelierter Vielteilchen-Systeme aus das selbe quantitative Niveau zu bringen, welches für den Grundzustand vor Jahren erreicht wurde.Unsere Arbeit hatte sowohl analytische als auch numerische Komponenten. Methodisch bauen wir auf die Theorie korrelierter Wellenfunktionen auf, welche zur Berechnung von Eigenschaften des Grundzustandes enorm erfolgreich war. Um dynamische Situationen zu beschrieben, mussten wir die zeitabhängige Version derselben Theorie entwickeln und demonstrieren, dass die Lösung der grundlegenden Gleichungen nicht mehr Approximationen verlangt als die Lösung des Grundzustands-Problems. Die Exekution derselben Theorie für Fermionen stellte sich als signifikant schwieriger, aber auch gerade wegen der Schwierigkeiten signifikant interessanter dar.Wir waren in der glücklichen Lage, dass eine neue experimentelle Einrichtung, das Flugzeit-Spektrometer IN5 am Hochfluss-Reaktor des Institut Laue- Langevin den Betrieb aufnahm. In der Folge konnten wir unsere theoretischen Ergebnisse mit hoch-präzisen Neutronen-Streudaten vergleichen. Wir fanden dass unsere Theorie selbst feinere Strukturen in den Daten korrekt vorhersagt.Wir waren auch in der Lage, einige methodologische Aussagen zu machen: Zum Beispiel widersprechen die Ergebnisse von Neutronen-Streu Experimenten an atomaren Monolagen von 3He Atomen qualitativen Modellen aus der Lehrbuch-Literatur. Unsere Formulierung der Dynamik in Form von Mehrteilchen-Fluktuationen hat diese Experimente erklären können.