Möchte mit seinen Kollegen im Transregio-SFB klären, wie sich das „Wackeln“ der Atome auf die Vielteilchen-Systeme auswirkt: Prof. Michael Lang; Foto: Dettmar

Möchte mit seinen Kollegen im Transregio-SFB klären, wie sich das „Wackeln“ der Atome auf die Vielteilchen-Systeme auswirkt: Prof. Michael Lang; Foto: Dettmar

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 sogenann­ten Cooperpaaren zusammen, die sich ohne jeden Reibungsverlust durch ein supraleitendes Material bewegen und somit einen wider­standsfreien Stromtransport er­ möglichen. Aber auch beim Auftre­ten magnetischer Wirbelstrukturen spielen Vielteilchen­-Effekte eine entscheidende Rolle.

Um diese „Massenpsychologie“ von Quantenteilchen zu studie­ren, arbeiten Festkörperphysiker, Quantenoptiker, Materialwissen­schaftler aus Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern zusammen: Unter Federführung der Goethe­-Univer­sität gründeten sie den Transregio­-Sonderforschungsbereich (Trans­regio­-SFB) „Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchen­ Wechselwirkungen“, und kürzlich hat die Deutsche Forschungsge­meinschaft (DFG) nach sehr posi­tiver Evaluation der bisherigen Forschungsarbeiten beschlossen, diesen Forschungsverbund für weitere vier Jahre mit rund acht Milli­onen Euro zu fördern.

Verständnis für die Grundprinzipien

Dabei gilt das Interesse der Wissen­schaftler zunächst einmal ausge­wählten Modellsystemen: ultrakalte Atomgase im Feld sich kreuzender Laserstrahlen sowie dünnemagne­tische Filme, in denen durch Licht magnetische Anregungen erzeugt werden. „Hieran wollten wir die Grundprinzipien verstehen“, erläu­tert Michael Lang, Professor am Physikalischen Institut der Goethe­-Universität und Sprecher des Trans­regio­-SFB. „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) wollten Lang und seine Forscherkollegen daher Fragen beantworten wie: Wie lassen sich Vielteilchensys­teme im Experiment erzeugen und in der Theorie simulieren? Was sind dann 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 Vielteilchen­Systeme aus­wirkt“, beschreibt Lang die Fragen, die in der kürzlich bewilligten dritten Förderperiode des Transre­gio­SFB beantwortet werden sollen.

Kühlschränke und Datenspeicherung

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 Transregio-­SFB durch das integrierte Graduiertenkolleg einen besonderen Stellenwert; zu­ gleich unterscheidet sie sich in ei­nem wichtigen Punkt von den übli­chen Graduiertenkollegs der DFG.

Die Kollegiatinnen und Kollegiaten organisieren selbstständig Semi­nare und Workshops, legen deren Inhalte fest, laden Vortragende ein – gestalten das Graduiertenkol­leg des Transregio­-SFB also aktiv mit: „Sie legen ihre Konsumenten­ rolle ein Stück weit ab und über­ nehmen Verantwortung. Außer­ dem lernen sie so aus eigener Erfahrung, wie der Wissenschafts­betrieb organisiert ist, und sie ver­netzen sich darin“, berichtet Lang.

In erster Linie geht es in dem Transregio­-SFB um Grundlagenfor­schung: Lang möchte zusammen mit den anderen Wissenschaftlerin­nen und Wissenschaftlern grundle­gende Konzepte entwickeln und ausbauen, die zu einem besseren Verständnis von Vielteilchen­-Syste­men führen. Das schließt allerdings Beiträge zu anwendungsbezogenen Themen nicht aus.

So wurde 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 besonders geeignet, und möglicher­ weise 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 sowohl ferromagnetisch als auch ferroelektrisch sind. Das eröffnet die Möglichkeit, mit Magnetismus die elektrischen Eigenschaften 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. [Autorin: Stefanie Hense]

ZWEI SONDERFORSCHUNGSBEREICHE VERLÄNGERT

Neben dem Transregio-SFB „Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchen-Wechselwirkungen“ wurde ein weiterer Sonderforschungsbereich der Goethe-Universität verlängert: Im SFB „Molekulare Prinzipien der RNA-basierten Regulation“ untersuchen Forscher der Goethe-Uni gemeinsam mit Kollegen an der Technischen Universität Darmstadt und den Frankfurter Max-Planck-Instituten für Biophysik und für Hirnforschung die vielfältigen regulatorischen und enzymatischen Funktionen der RNA. Sprecher des SFB ist Prof. Harald Schwalbe.

Weitere Informationen SFB „Molekulare Prinzipien der RNA-basierten Regulation“: Prof. Harald Schwalbe, Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie, Campus Riedberg, Tel. (069) 798-29737, schwalbe@nmr.uni-frankfurt.de

Transregio-SFB „Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchen-Wechselwirkungen“: Prof. Michael Lang, Physikalisches Institut, Campus Riedberg, Tel. (069) 798-47241, Michael.Lang@physik.uni-frankfurt.de