Der theoretische Physiker Arthur Christianen hat Anfang November seine Arbeit als Juniorgruppenleiter am IQOQI Innsbruck aufgenommen. Seine neue Forschungsgruppe „Few & Many-Body Quantum Theory“ erforscht Phänomene an der Schnittstelle zwischen Wenig- und Vielteilchensystemen in Quantenmaterie, von ultrakalten Atomen und Molekülen bis hin zu zweidimensionalen Halbleitern.
Schon drei miteinander wechselwirkende Teilchen können sich auf überraschend komplexe Weise verhalten. Dies ist das klassische Dreikörperproblem, das Generationen von Physiker:innen fasziniert und sogar als Inspiration für eine beliebte Netflix-Serie diente. Die Gruppe um Arthur Christianen nutzt diese Perspektive der wenigen Teilchen als Ausgangspunkt, um offene Fragen im Bereich der stark wechselwirkenden Quantenmaterie anzugehen. Das Team kombiniert Methoden aus der theoretischen Chemie und der Streutheorie mit variationalen Vielteilchen-Methoden.
Ein zentrales Thema seiner Forschung ist die Physik von Polaronen. Dabei bildet ein einzelnes Teilchen, das in ein Quantenbad eingetaucht wird, ein Quasiteilchen mit veränderten Eigenschaften. Der Prozess ähnelt der Solvatation in der Chemie, bei der ein Lösungsmittel die Eigenschaften und die Reaktivität einer gelösten Substanz verändert. Ist das „Lösungsmittel“ jedoch ein Quantenbad, kann ein qualitativ neues Verhalten entstehen. In Zusammenarbeit mit experimentellen Partnern am MIT entdeckte Christianen, dass Kaliumatome, die in ein Bose-Einstein-Kondensat aus Natriumatomen eingetaucht sind, ein bisher unbekanntes, extrem schwach gebundenes „Halo“-Trimer bilden. Das Team fand außerdem heraus, dass Atome, Moleküle und Trimere in kohärenten Überlagerungszuständen mit unterschiedlicher Teilchenanzahl existieren können, was durch die Quantenkohärenz des „Lösungsmittels“ ermöglicht wird.
Zuletzt hat Christianen Exzitonen untersucht, die mit korrelierten Elektronen in zweidimensionalen Halbleitern wechselwirken. Gemeinsam mit Kollegen an der ETH Zürich, der Universität Heidelberg und der University of Maryland zeigte er, wie solche Exzitonen die Schwingungen von Elektronenkristallen und Anyonen in fraktionalen Quanten-Hall-Zuständen anzeigen können. Zuvor, noch während seines Studiums, identifizierte er einen Schlüsselmechanismus hinter dem lange Zeit ungeklärten Verlust ultrakalter Moleküle in optischen Fallen. Experimente bestätigten seine Vorhersage innerhalb eines Jahres.
Arthur Christianen, 1996 in Nijmegen (Niederlande) geboren, studierte Physik und Chemie an der Radboud-Universität Nijmegen. Seine Doktorarbeit verfasste er am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei Ignacio Cirac und Richard Schmidt. 2023 wurde er an der Technischen Universität München mit „summa cum laude“ promoviert und erhielt für seine Dissertation den MCQST PhD Award. Nach einem kurzen Postdoc-Aufenthalt am MPQ kam er 2024 als ETH Postdoctoral Fellow an die ETH Zürich in die Gruppen von Ataç İmamoğlu und Eugene Demler. Nun baut er seine eigene Forschungsgruppe am IQOQI in Innsbruck auf.