Funktionalen Eigenschaften von Quantenmaterialien mit Licht kontrollieren
Erkenntnisse aus neuem Projekt sollen zur Entwicklung von auf Quantenmaterialien basierenden Technologien beitragen.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat die neue Forschungsgruppe „OPIMAL – Optical Control of Quantum Materials“ bewilligt. Koordiniert wird die überregional Gruppe von der RWTH Aachen. Ziel der Forschungen ist es, mit Ansätzen theoretischer und experimenteller Physik die funktionalen Eigenschaften neuartiger Materialien durch Licht zu kontrollieren. Insgesamt sind dreizehn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt, Sprecher ist Dante Kennes von der RWTH Aachen, Co-Sprecher Michael Sentef von der Uni Bremen.
„Die Hälfte der Gruppe arbeitet – wie ich – in der theoretischen Physik, die andere Hälfte in der experimentellen Physik“, sagt Michael Sentef. „Unser Ziel ist es, die funktionalen Eigenschaften neuartiger Quantenmaterialien — also Materialien, bei denen atomar-quantenmechanische Effekte auf makroskopischer Skala eine wichtige Rolle spielen – mit Licht zu kontrollieren.“ Dadurch werde Licht zu einer Art Knopf, mit dem man Materialeigenschaften quasi auf Knopfdruck wie gewünscht manipulieren könne
„Der Vorteil darin gegenüber anderen Knöpfen – etwa chemische Zusammensetzung, Druck, Temperatur – ist, dass es im Idealfall umkehrbar ist. Und das alles ultraschnell, innerhalb eines Millionstels eines Millionstels einer Sekunde.“ Das langfristige Ziel bestehe in der Entwicklung von nachhaltigen und energieeffizienten Geräten, die zum Beispiel für Energieumwandlung, Quantensensorik oder allgemein Quantentechnologien eingesetzt werden können.
Die Rolle der Arbeitsgruppe von Sentef in dieser Forschungsgruppe ist es, Modelle für die zu untersuchenden Materialien „ab initio“ — von den Grundprinzipien ihrer atomaren Struktur her — zu erstellen und diese mit modernen Methoden und Computersimulationen im Nichtgleichgewicht zu lösen. „Daraus ergeben sich Vorhersagen für Erfolg versprechende Experimente, deren Resultate wiederum mit Hilfe unserer Modelle analysiert werden sollen“, so der Physiker.
Quantenmaterialien besitzen einzigartige Eigenschaften, die sie für Technologien der Zukunft sehr interessant machen. Ein Ziel ist es, herauszufinden, wie man diese Materialien mit Lichtpulsen beeinflussen kann, um neue Zustände und Verhaltensweisen zu erzeugen. Das Problem dabei ist, dass das Verhalten dieser Materialien im Nichtgleichgewicht, also wenn sie durch Licht beeinflusst werden, sehr kompliziert ist und noch nicht vollständig verstanden wird. Außerdem ist es schwierig zu messen, wie verschiedene Aspekte dieser Materialien, wie Spin, Ladung und Atomgitter, zusammenwirken. Hinzu kommt, dass unerwünschte Effekte wie Aufheizen oft die gewünschten Veränderungen verdecken.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, kombiniert OPTIMAL moderne Experimentiertechniken mit theoretischen Modellen. Im Fokus stehen zwei Materialgruppen: Materialien, in denen die Wechselwirkung zwischen Spin, Ladung und Gitter wichtig ist, wie beispielsweise Mott-Isolatoren, und spezielle metallische Verbindungen, die bei bestimmten Temperaturen supraleitend werden können.
Das Ziel der ersten Projektphase ist es, diese Materialien umfassend zu untersuchen und herauszufinden, wie sie mit Licht beeinflusst werden können. In der zweiten Phase wollen die Forscher dann Methoden entwickeln, um die Materialien gezielt mit geringem Laseraufwand zu steuern. Langfristig könnten die Erkenntnisse aus diesem Projekt dazu beitragen, neue Technologien zu entwickeln, die auf Quantenmaterialien basieren.
U. Bremen / RK
