{"id":2398,"date":"2015-12-13T12:43:57","date_gmt":"2015-12-13T11:43:57","guid":{"rendered":"http:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=2398"},"modified":"2016-02-03T08:46:50","modified_gmt":"2016-02-03T07:46:50","slug":"die-massenpsychologie-der-quantenteilchen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/die-massenpsychologie-der-quantenteilchen\/","title":{"rendered":"Die Massenpsychologie der Quantenteilchen"},"content":{"rendered":"
\"Lars
Lars Postulka, Doktorand im SFB\/TR 49, transferiert fl\u00fcssigen Stickstoff zur Vorbereitung eines Experimentes, das die spezifische W\u00e4rme bei sehr tiefen Temperaturen bestimmt; Foto: AG Lang<\/figcaption><\/figure>\n

Menschen und Quantenteilchen haben etwas gemeinsam: In einer Gruppe verhalten sie sich oft anders, als wenn sie alleine sind. Bekanntestes physikalisches Beispiel f\u00fcr solche Vielteilchen-Effekte ist sicherlich die Supraleitung – unter bestimmten Bedingungen schlie\u00dfen sich Elektronen zu so genannten Cooperpaaren zusammen, die sich ohne jeden Reibungsverlust durch ein supraleitendes Material bewegen und somit einen widerstandsfreien Stromtransport erm\u00f6glichen.<\/p>\n

Aber auch beim Auftreten magnetischer Wirbelstrukturen spielen Vielteilchen-Effekte eine entscheidende Rolle. Um diese \u201eMassenpsychologie\u201c von Quantenteilchen zu studieren, arbeiten Festk\u00f6rperphysiker, Quantenoptiker sowie Materialwissenschaftler aus Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern zusammen: Unter Federf\u00fchrung der Goethe-Universit\u00e4t gr\u00fcndeten sie den Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB\/TRR) „Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchen-Wechselwirkungen“.<\/p>\n

Und die erfolgreiche Zusammenarbeit, an der insbesondere zwei Universit\u00e4ten 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 f\u00fcr weitere vier Jahre mit rund acht Millionen Euro zu f\u00f6rdern.<\/p>\n

\u201eIn einem Forschungsverbund wie etwa unserem SFB ist die Kooperation der Teilnehmer extrem wichtig, weil auf diese Weise wissenschaftliche Mehrwerte geschaffen werden, die \u00fcber die Ergebnisse einzelner, voneinander unabh\u00e4ngiger Projekte deutlich hinausgehen\u201c, sagt Michael Lang, Professor am Physikalischen Institut der Goethe-Universit\u00e4t und Sprecher des SFB\/TRR. \u201eDie Kooperation beginnt, wenn wir miteinander diskutieren und dann die konkreten Fragestellungen ausformulieren.\u201c<\/p>\n

\"Der
Der Doktorand David Zielke verl\u00f6tet elektrische Zuleitungen an einem Messeinsatz f\u00fcr die Bestimmung des elektrischen Widerstands bei tiefen Temperaturen und hohen Drucken; Foto: AG Lang<\/figcaption><\/figure>\n

Daran schlie\u00dft sich die Arbeitsaufteilung an, weil – abh\u00e4ngig von den M\u00f6glichkeiten der experimentell und theoretisch arbeitenden Gruppen – manche Aspekte besser in Frankfurt, andere eher in Mainz bearbeitet werden k\u00f6nnen. 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:<\/p>\n

\u201eWir haben schon Paper ver\u00f6ffentlicht, zu denen f\u00fcnf verschiedene Teilprojekte des SFB beigetragen haben\u201c, sagt Lang nicht ohne Stolz. Dabei galt und gilt das Interesse der Wissenschaftler zun\u00e4chst einmal ausgew\u00e4hlten Modellsystemen: ultrakalte Atomgase im Feld sich kreuzender Laserstrahlen sowie d\u00fcnne magnetische Filme, in denen durch Licht magnetische Anregungen erzeugt werden.<\/p>\n

\u201eHieran wollten wir die Grundprinzipien verstehen\u201c, erl\u00e4utert Lang, \u201eDie Konzepte, die wir hier entwickelt haben, m\u00f6chten wir jetzt auch auf komplexere Systeme anwenden.\u201c In den ersten beiden F\u00f6rderperioden des Projekts (2007 bis 2011, 2011 bis 2015) widmeten sich Lang und seine Forscherkollegen daher Fragen wie beispielsweise:<\/p>\n

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 f\u00fchren, 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.<\/p>\n

\u201eOder nehmen Sie die regelm\u00e4\u00dfige Struktur, in der die Atome dieses Materials angeordnet sind: Am absoluten Temperaturnullpunkt w\u00e4re so eine Gitterstruktur v\u00f6llig 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 hei\u00dft je h\u00f6her die Versuchstemperatur ist, desto st\u00e4rker wackeln die Atome auf ihren Gitterpl\u00e4tzen hin und her.<\/p>\n

Wir m\u00f6chten jetzt kl\u00e4ren, wie sich das Wackeln auf die Vielteilchen-Systeme auswirkt\u201c, beschreibt Lang die Fragen, die in der k\u00fcrzlich bewilligten dritten F\u00f6rderperiode des Transregio-SFB beantwortet werden sollen. Daran arbeiten nat\u00fcrlich 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 Universit\u00e4ten Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern sowie am Mainzer Max-Planck-Institut f\u00fcr Polymerforschung betreut werden.<\/p>\n

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 \u00fcblichen Graduiertenausbildung: Die Kollegiatinnen und Kollegiaten organisieren selbstst\u00e4ndig Seminare und Workshops, legen deren Inhalte fest, laden Vortragende ein \u2013 gestalten das Graduiertenkolleg des SFB\/TRR also aktiv mit:<\/p>\n

\u201eSie legen ihre Konsumentenrolle ein St\u00fcck weit ab und \u00fcbernehmen Verantwortung. Au\u00dferdem lernen sie so aus eigener Erfahrung, wie der Wissenschaftsbetrieb organisiert ist, und sie vernetzen sich darin\u201c, berichtet Lang. \u201eDie Kooperation der Graduierten untereinander und die Kooperation innerhalb des gesamten SFB erg\u00e4nzen sich sehr gut, und unser Nachwuchs profitiert davon ganz enorm, sowohl inhaltlich als auch mit Blick auf die eigene Karriere.\u201c<\/p>\n

\"Elena
Elena Gati (Doktorandin) trennt einen Vorratsbeh\u00e4lter mit fl\u00fcssigem Helium von einem Experiment zur Untersuchung der thermischen Ausdehnung bei tiefen Temperaturen und hohen Drucken; Foto: AG Lang<\/figcaption><\/figure>\n

In dem SFB\/TRR geht es vorwiegend um Grundlagenforschung, so etwa bei der Arbeit des Mainzer Professors f\u00fcr Quantenoptik, Ferdinand Schmidt-Kaler, der die Eigenschaften eines realen Festk\u00f6rpers gewisserma\u00dfen simuliert. Er untersucht k\u00fcnstliche Festk\u00f6rper-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.<\/p>\n

Diese Experimente sollen zu einem besseren Verst\u00e4ndnis f\u00fcr das Verhalten eines realen Festk\u00f6rpers beitragen, der aus einer sehr viel gr\u00f6\u00dferen Zahl von Atomen und Elektronen besteht. \u201eDabei ist die Zusammenarbeit zwischen uns als experimentell arbeitender Gruppe und den Festk\u00f6rpertheoretikern aus Frankfurt nat\u00fcrlich extrem wichtig; die beiden Disziplinen bringen sich gegenseitig weiter\u201c, sagt Schmidt-Kaler und erg\u00e4nzt:<\/p>\n

\u201eAber zus\u00e4tzlich zu dieser etablierten und erfolgreichen Kooperation diskutiere ich auch besonders gerne in unserem SFB mit Forschern \u00fcber Gebiete, die ich vorher nicht gekannt habe. Diese Diskussionen weiten den Blick in der Physik und inspirieren mich\u201c.<\/p>\n

Lang, Schmidt-Kaler sowie die anderen Teilnehmer des SFB\/TRR m\u00f6chten also auch in der dritten F\u00f6rderperiode des Forschungsverbundsgrundlegende Konzepte entwickeln und ausbauen, um so zu einem besseren Verst\u00e4ndnis von Vielteilchen-Systemen zu kommen. Das schlie\u00dft allerdings Beitr\u00e4ge zu anwendungsbezogenen Themen nicht aus. So wurde in dem SFB\/TRR das Konzept \u201emagnetisches K\u00fchlen\u201c weiterentwickelt, also die Tatsache, dass sich manche magnetischen Materialien abk\u00fchlen, wenn ein Magnetfeld ver\u00e4ndert wird.<\/p>\n

Magnetisch gek\u00fchlte R\u00f6ntgendetektoren sind f\u00fcr die Weltraumforschung von gro\u00dfer Bedeutung, und m\u00f6glicherweise wird das magnetische K\u00fchlen eines Tages sogar beim Betrieb eines Haushaltsk\u00fchlschranks eine umweltfreundliche Alternative zur herk\u00f6mmlichen Technik. Ein anderes Beispiel ist das Ph\u00e4nomen, dass manche Materialien unter geeigneten Bedingungen sowohl ferromagnetisch als auch ferroelektrisch sind.<\/p>\n

\u201eInsbesondere dann, wenn beide Effekte wie bei unseren Materialien bei der gleichen Temperatur auftreten, ist das ein ganz starkes Indiz daf\u00fcr, dass die beiden Eigenschaften unmittelbar zusammenh\u00e4ngen\u201c, erl\u00e4utert Michael Lang, \u201ees er\u00f6ffnet die M\u00f6glichkeit, irgendwann mit elektrischen Feldern den Magnetismus des Materials zu beeinflussen und umgekehrt \u2013 hat man dieses Prinzip erst einmal verstanden, kann der Effekt gezielt in der Speichertechnik eingesetzt werden.\u201c Vielteilchen-Effekte er\u00f6ffnen hier eine interessante Perspektive f\u00fcr die Datenspeicherung.<\/p>\n

Bildtexte: Erstes Bild: Lars Postulka, Doktorand im SFB\/TR 49, transferiert fl\u00fcssigen Stickstoff zur Vorbereitung eines Experimentes, das die spezifische W\u00e4rme bei sehr tiefen Temperaturen bestimmt. Das Foto ist aufgenommen im Labor f\u00fcr Tiefsttemperatur-Experimente der Arbeitsgruppe Lang am Physikalischen Institut, Goethe-Universit\u00e4t. Zweites Bild: Der Doktorand David Zielke verl\u00f6tet elektrische Zuleitungen an einem Messeinsatz f\u00fcr die Bestimmung des elektrischen Widerstands bei tiefen Temperaturen und hohen Drucken. Ort: Labor f\u00fcr Hochdruck- und Transportmessungen der AG Lang. Drittes Bild: Elena Gati (Doktorandin) trennt einen Vorratsbeh\u00e4lter mit fl\u00fcssigem Helium von einem Experiment zur Untersuchung der thermischen Ausdehnung bei tiefen Temperaturen und hohen Drucken. Ort: Labor f\u00fcr 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 Verst\u00e4ndnis f\u00fcr das Verhalten eines realen Festk\u00f6rpersystems bei. (Abb.\/\u00a9: Ferdinand Schmidt-Kaler und Rene Gerritsma)<\/p>\n

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SFB\/TR 49: Stark korrelierte Systeme kondensierter Materie<\/strong><\/p>\n

Sprecherhochschule:<\/strong> Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt<\/p>\n

Sprecher:<\/strong> Prof. Michael Lang, Physikalisches Institut, Tel. 069\/798-47241, michael.lang@physik.uni-frankfurt.de <\/a><\/p>\n

Partner:<\/strong> Johannes Gutenberg-Universit\u00e4t Mainz, Technische Universit\u00e4t Kaiserslautern, Max Planck-Institut f\u00fcr Polymerforschung,Mainz Graduiertenschule: Zur Verbesserung der Doktorandenausbildung unterh\u00e4lt der SFB\/TR49 ein integriertes Graduiertenkolleg, bei dessen Programmgestaltung die etwa 20 Promovierenden durch die selbst\u00e4ndige Organisation von Seminaren und Workshops aktiv beteiligt sind.<\/p>\n

Links:<\/strong> http:\/\/www.uni-frankfurt.de\/47018623\/50_tr49<\/a><\/p>\n

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