Aufholen mit QSpec-NewMat: Materialphänomene mit neuartigen Instrumenten besser verstehen
Innerhalb des vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierten Projekts QSpec-NewMat wurde das Instrumentarium mithilfe der Kombination der Prinzipien der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie und der Quantenelektrodynamik (QED) entwickelt. Dabei ergab sich ein neuer Ansatz: die quantenelektrodynamische Dichtefunktionaltheorie (QEDFT). Das Instrumentarium nutzt Licht, um Quantenphänomene in komplexen Systemen zu verstehen und zu steuern, die sich im Gleichgewicht und außerhalb des Gleichgewichtszustands befinden. QSpec-NewMat hat seinen Forschungsansatz fortgesetzt, indem die Hohlraum-QED-Physik von korrelierten Licht-Materie-Zuständen wie z. B. ganzzahligen und fraktionalen Quanten-Hall-Zuständen untersucht wurde. „Eine besonders attraktive Richtung stellt dabei die Verbesserung der Supraleitung in einem optischen Hohlraum dar“, erklärt Angel Rubio, Direktor des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland, von dem das Projekt koordiniert wird. „Einer der aufregendsten Aspekte der Hohlraum-QED-vermittelten Quantenphänomene tritt im Regime der starken Licht-Materie-Kopplung auf, wenn das ‚Lichtfeld‘ nicht durch ein externes Laserfeld, sondern durch die Vakuumfluktuationen des Hohlraums bereitgestellt wird.“ Diese Tatsache unterscheidet die Hohlraum-QED-Physik deutlich von gewöhnlichen nichtlinearen optischen Phänomenen, die durch ein starkes äußeres Feld induziert werden und zwangsläufig angeregte und/oder Nichtgleichgewichtszustände der Materie beinhalten. Dadurch haben sich aufregende neue Chancen zur Untersuchung der Wechselwirkung von quantisiertem Licht mit Quanten-Vielteilchensystemen ergeben. Zudem konnten mehrere verblüffende Vorhersagen geliefert werden, darunter die Verbesserung der Supraleitfähigkeit, die Steuerung paraelektrisch-ferroelektrischer Übergänge in Perowskiten, die Induzierung neuartiger topologischer Phasen und die Steuerung photochemischer Reaktionen (Hemmung, Lenkung und sogar Katalyse eines chemischen Prozesses und Energietransfers). Eine neue Idee beschäftigt sich mit der Hohlraumsteuerung von Vielteilcheninteraktionen. Indem der Einteilchen-Hamiltonoperator durch Hohlraum-Materie-Kopplung modifiziert wird, können die relevanten Interaktionsgrößen ausgewählt und somit die Form der effektiven Interaktionen gesteuert werden. Eine weitere interessante Frage lautet, ob optische Hohlräume als Plattformen für die Umsetzung von Konzepten aus der Hochenergiephysik in Festkörpern und die Realisierung neuer fermionischer Quasiteilchen in Hohlräumen dienen können. „Diese Fortschritte in der Materialsteuerung beruhen auf einem vielseitigen und genauen ersten Prinzip, das alle relevanten Freiheitsgrade, d. h. Photonen, Elektronen, Phononen und die Umgebung, gleichberechtigt einbezieht“, schließt Rubio. „Es ist teilweise der ERC-Finanzierung zu verdanken, dass die neuartigen theoretischen Rahmenwerke QEDFT und Paar-Cluster-QED entwickelt werden konnten, um diese Herausforderung zu meistern.“
Schlüsselbegriffe
QSpec-NewMat, Quanten, Material, komplexes Material, Quantenelektrodynamik, quantenelektrodynamische Dichtefunktionaltheorie, Hohlraum, Licht