Die Massenpsychologie der Quantenteilchen

Menschen und Quantenteilchen haben etwas gemeinsam: In einer Gruppe verhalten sie sich oft anders, als wenn sie alleine sind. Bekanntestes physikalisches Beispiel für solche  Vielteilchen-Effekte ist sicherlich die Supraleitung - unter bestimmten Bedingungen schließen sich Elektronen zu so genannten Cooperpaaren zusammen, die sich ohne jeden Reibungsverlust durch ein supraleitendes Material bewegen und somit einen widerstandsfreien Stromtransport ermöglichen. Aber auch beim Auftreten magnetischer Wirbelstrukturen spielen Vielteilchen-Effekte eine entscheidende Rolle.

Um diese „Massenpsychologie“ von Quantenteilchen zu studieren, arbeiten Festkörperphysiker, Quantenoptiker sowie Materialwissenschaftler aus Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern zusammen: Unter Federführung der Goethe-Universität gründeten sie den Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB/TRR) "Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchen-Wechselwirkungen". Und die erfolgreiche Zusammenarbeit, an der insbesondere zwei Universitäten aus dem Rhein-Main-Gebiet beteiligt sind, wurde jetzt abermals honoriert: Vor einigen Monaten hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) nach sehr positiver Evaluation der bisherigen Forschungsarbeiten beschlossen, den Forschungsverbund für weitere vier Jahre mit rund acht Millionen Euro zu fördern.

„In einem Forschungsverbund wie etwa unserem SFB ist die Kooperation der Teilnehmer extrem wichtig, weil auf diese Weise wissenschaftliche Mehrwerte geschaffen werden, die über die Ergebnisse einzelner, voneinander unabhängiger Projekte deutlich hinausgehen“, sagt Michael Lang, Professor am Physikalischen Institut der Goethe-Universität und Sprecher des SFB/TRR. „Die Kooperation beginnt, wenn wir miteinander diskutieren und dann die konkreten Fragestellungen ausformulieren.“ Daran schließt sich die Arbeitsaufteilung an, weil - abhängig von den Möglichkeiten der experimentell und theoretisch arbeitenden Gruppen - manche Aspekte besser in Frankfurt, andere eher in Mainz bearbeitet werden können. Immer wieder treffen sich dann die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, diskutieren ihre Ergebnisse, vergleichen sie mit Modellrechnungen, entwerfen neue Experimente. Und werden am Ende durch gemeinsame Publikationen belohnt: „Wir haben schon Paper veröffentlicht, zu denen fünf verschiedene Teilprojekte des SFB beigetragen haben“, sagt Lang nicht ohne Stolz.

Dabei galt und gilt das Interesse der Wissenschaftler zunächst einmal ausgewählten Modellsystemen: ultrakalte Atomgase im Feld sich kreuzender Laserstrahlen sowie dünne magnetische Filme, in denen durch Licht magnetische Anregungen erzeugt werden. „Hieran wollten wir die Grundprinzipien verstehen“, erläutert Lang,  „Die Konzepte, die wir hier entwickelt haben, möchten wir jetzt auch auf komplexere Systeme anwenden.“ In den ersten beiden Förderperioden des Projekts (2007 bis 2011, 2011 bis 2015) widmeten sich Lang und seine Forscherkollegen daher Fragen wie beispielsweise: Wie lassen sich Vielteilchensysteme im Experiment erzeugen und in der Theorie simulieren? Was sind etwa die relevanten Prozesse, die zur Bildung von Cooperpaaren aus Elektronen führen,  und wie entsteht aus magnetischen Elementaranregungen ein magnetischer Wirbel?

Auf diese grundlegenden Erkenntnisse bauen die Wissenschaftler jetzt auf, wenn sie sich zum Beispiel fragen, wie sich Verunreinigungen des Materials auswirken, in dem sie die Vielteilchensysteme beobachten wollen. „Oder nehmen Sie die regelmäßige Struktur, in der die Atome dieses Materials angeordnet sind: Am absoluten Temperaturnullpunkt wäre so eine Gitterstruktur völlig starr. Nun finden unsere Versuche zwar bei ziemlich tiefen Temperaturen statt, aber eben nicht am absoluten Nullpunkt, und je weiter entfernt wir davon sind, das heißt je höher die Versuchstemperatur ist, desto stärker wackeln die Atome auf ihren Gitterplätzen hin und her. Wir möchten jetzt klären, wie sich das Wackeln auf die Vielteilchen-Systeme auswirkt“, beschreibt Lang die Fragen, die in der kürzlich bewilligten dritten Förderperiode des Transregio-SFB beantwortet werden sollen.

Daran arbeiten natürlich nicht nur Lang und die anderen 20 leitenden Forscherinnen und Forscher mit, sondern auch die rund 25 Promovierenden und neun Postdoktoranden, die von ihnen an den Universitäten Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern sowie am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung betreut werden. Dabei bekommt die Doktorandenausbildung in dem SFB/TRR durch das integrierte Graduiertenkolleg einen besonderen Stellenwert; zugleich unterscheidet sie sich in einem wichtigen Punkt von der üblichen Graduiertenausbildung: Die Kollegiatinnen und Kollegiaten organisieren selbstständig Seminare und Workshops, legen deren Inhalte fest, laden Vortragende ein – gestalten das Graduiertenkolleg des SFB/TRR also aktiv mit: „Sie legen ihre Konsumentenrolle ein Stück weit ab und  übernehmen Verantwortung. Außerdem lernen sie so aus eigener Erfahrung, wie der Wissenschaftsbetrieb organisiert ist, und sie vernetzen sich darin“, berichtet Lang. „Die Kooperation der Graduierten untereinander und die Kooperation innerhalb des gesamten SFB ergänzen sich sehr gut, und unser Nachwuchs profitiert davon ganz enorm, sowohl inhaltlich als auch mit Blick auf die eigene Karriere.“

In dem SFB/TRR geht es vorwiegend um Grundlagenforschung, so etwa bei der Arbeit des Mainzer Professors für Quantenoptik, Ferdinand Schmidt-Kaler, der die Eigenschaften eines realen Festkörpers gewissermaßen simuliert. Er untersucht künstliche Festkörper-Kristalle, die aus einigen hundert Ytterbium-Ionen und Rubidium Atomen bestehen und in einer neuartigen Kombination aus Ionen- und Atom-Falle gehalten und zur Wechselwirkung gebracht werden. Diese Experimente sollen zu einem besseren Verständnis für das Verhalten eines realen Festkörpers beitragen, der aus einer sehr viel größeren Zahl von Atomen und Elektronen besteht. „Dabei ist die Zusammenarbeit zwischen uns als experimentell arbeitender Gruppe und den Festkörpertheoretikern aus Frankfurt natürlich extrem wichtig; die beiden Disziplinen bringen sich gegenseitig weiter“, sagt Schmidt-Kaler und ergänzt: „Aber zusätzlich zu dieser etablierten und erfolgreichen Kooperation diskutiere ich auch besonders gerne in unserem SFB mit Forschern über Gebiete, die ich vorher nicht gekannt habe. Diese Diskussionen weiten den Blick in der Physik und inspirieren mich“.

Lang, Schmidt-Kaler sowie die anderen Teilnehmer des SFB/TRR möchten also auch in der dritten Förderperiode des Forschungsverbundsgrundlegende Konzepte entwickeln und ausbauen, um so zu einem besseren Verständnis von Vielteilchen-Systemen zu kommen.  Das schließt allerdings Beiträge zu anwendungsbezogenen Themen nicht aus. So wurde in dem SFB/TRR das Konzept „magnetisches Kühlen“ weiterentwickelt, also die Tatsache, dass sich manche magnetischen Materialien abkühlen, wenn ein Magnetfeld verändert wird. Magnetisch gekühlte Röntgendetektoren sind für die Weltraumforschung von großer Bedeutung, und möglicherweise wird das magnetische Kühlen eines Tages sogar beim Betrieb eines Haushaltskühlschranks eine umweltfreundliche Alternative zur herkömmlichen Technik. 

Ein anderes Beispiel ist das Phänomen, dass manche Materialien unter geeigneten Bedingungen sowohl ferromagnetisch  als auch ferroelektrisch sind. „Insbesondere dann, wenn beide Effekte wie bei unseren Materialien bei der gleichen Temperatur auftreten, ist das ein ganz starkes Indiz dafür, dass die beiden Eigenschaften unmittelbar zusammenhängen“, erläutert Michael Lang, „es eröffnet die Möglichkeit, irgendwann mit elektrischen Feldern den Magnetismus des Materials zu beeinflussen und umgekehrt – hat man dieses Prinzip erst einmal verstanden, kann der Effekt gezielt in der Speichertechnik eingesetzt werden.“ Vielteilchen-Effekte eröffnen hier eine interessante Perspektive für die Datenspeicherung. Stefanie Hense

Bildtexte:
Erstes Bild: Lars Postulka, Doktorand im SFB/TR 49, transferiert flüssigen Stickstoff zur Vorbereitung eines Experimentes, das die spezifische Wärme bei sehr tiefen Temperaturen bestimmt. Das Foto ist aufgenommen im Labor für Tiefsttemperatur-Experimente der Arbeitsgruppe Lang am Physikalischen Institut, Goethe-Universität.

Zweites Bild: Der Doktorand David Zielke verlötet elektrische Zuleitungen an einem Messeinsatz für die Bestimmung des elektrischen Widerstands bei tiefen Temperaturen und hohen Drucken. Ort: Labor für Hochdruck- und Transportmessungen der AG Lang.

Drittes Bild: Elena Gati (Doktorandin) trennt einen Vorratsbehälter mit flüssigem Helium von einem Experiment zur Untersuchung der thermischen Ausdehnung bei tiefen Temperaturen und hohen Drucken. Ort: Labor für Hochdruck- und Transportmessungen der AG Lang.

Viertes Bild: Skizze eines Modellsystems aus einzelnen Ionen (blau) und Atomen (rot), wie die Gruppe von Prof. FerdinandSchmidt-Kahler es experimentell realisieren. In einer kombinierten Paul- und Joffe-Pritchard Falle speichert sier Ytterbium-Ionenkristalle und Rubidium-Neutralatome und kann deren Wechselwirkungen detailliert untersuchen. Diese Experimente tragen zu einem besseren Verständnis für das Verhalten eines realen Festkörpersystems bei. (Abb./©: Ferdinand Schmidt-Kaler und Rene Gerritsma)

 
Sprecher: Prof. Michael Lang, Goethe-Universität                           Prof. Ferdinand Schmidt-Kaler, JGU


SFB/TR 49: Stark korrelierte Systeme kondensierter Materie

Sprecherhochschule: Goethe-Universität Frankfurt

Sprecher: Prof. Michael Lang, Physikalisches Institut, Tel. 069/798-47241, Michael.Lang@physik.uni-frankfurt.de

Partner: Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Technische Universität Kaiserslautern, Max Planck-Institut für Polymerforschung,Mainz

Graduiertenschule:
Zur Verbesserung der Doktorandenausbildung unterhält der SFB/TR49 ein integriertes Graduiertenkolleg, bei dessen Programmgestaltung die etwa 20 Promovierenden durch die selbständige Organisation von Seminaren und Workshops aktiv beteiligt sind.

Links: http://www.uni-frankfurt.de/47018623/50_tr49