Akustische Modelle als Testbereiche der klassischen und Quantenfeldtheorie in gekrümmten Raumzeiten

• Antragsteller: Dr. Piotr Marecki
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 157899325

In diesem Projekt wird die Analogie zwischen Welleneffekten in astrophysikalischen Raumzeiten und Schallwellen in klassischen- und Quantenflüssigkeiten untersucht. Die Untersuchungen verlaufen in zwei unterschiedlichen Zweigen. Im ersten, um die bemerkenswerten Effekte der rotierenden Raumzeiten (z.B. Frame-Dragging- [Lense-Thirring-] Effekt) modellieren zu können, werden rotierende Flüssigkeiten betrachtet. Die einfachsten Systeme haben die Gestalt von achsensymmetrischen Wirbeln, und solche wurden bereits im ersten Teil des Projekts untersucht. Überraschenderweise wurden für die Schallwellen, die sich in einem Wirbel ausbreiten, zahlreiche Familien von gebundenen Zustände gefunden, obwohl diese Wellen massenlosen (also: lichtartigen) Feldern in astrophysikalischen Raumzeiten entsprechen. Es wurde gezeigt, dass die Existenz von mit-rotierenden gebundenen Zuständen, sowie die Form der Dispersionsrelationen (gapped/gapless) für die gegen-rotierenden Zustände, in einer entscheidender Weise davon abhängig ist, ob die dazugehörige (akustische) Raumzeit einen Ergoregion besitzt. Bei stark rotierenden Wirbeln und Wirbeln mit sehr kleinen Wirbelkernen im suprafluiden Helium oder in Bose-Einstein Kondensaten könnte diese Bedingung erfüllt sein. Nun muss die Abhängigkeit der Schallstreuung von der Existenz des Ergoregions auch untersucht werden. Vorläufige Ergebnisse deuten darauf hin, dass hier ebenfalls ein qualitativer Unterschied für stark rotierende/kompakte Wirbel stattfinden kann.In dem zweiten Zweig des Projektes werden Fluktuationen von Quantenfeldern untersucht. In Anwesenheit der stationär-fließenden Quantenflüssigkeiten oder der Randbedingungen verschiedener Art ist es bekannt, dass die Quantenfluktuationen des Phononenfeldes (und auch des elektromagnetischen Feldes), mindestens in kleinen Gebieten oder für kurze Zeiten, unter das Vakuum-Niveau unterdrückt werden können (Unterdrückung des Quantenrauschen). In diesem Projekt wird an einem Konzept zum Nachweis dieser Unterdrückung gearbeitet. Obwohl ein Experiment zu diesem Zweck bereits im Jahre 2008 von dem Autor vorgeschlagen wurde, müssen noch nötige praktische Einzelheiten ausgearbeitet werden. Speziell werden elektromagnetische Quantenfelder in metallischen Mikro-Hohlräume, die in einer der drei Dimension enger als die relevanten Wellenlängen sind, untersucht. Um die Detektion der Quantenfluktuationen in den Hohlräumen zu ermöglichen, werden verschiedene Konfigurationen von hocheffizienten Photodioden ausprobiert (micro Balanced-Homodyne Detektion). Für jede solche Konfiguration muss das Muster der Quantenfluktuationen hergeleitet werden, und zwar auch unter adäquater Berücksichtigung der Oberflachenphänomene (Surface-Plasmons). Zu diesem Zweck werden hochpräzise Softwarepakete (Finite-Element-Methods) eingesetzt und zum Problem angepasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Person: Professor Dr. Larry Ford