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Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die neue Forschungsgruppe: „Optical Control of Quantum Materials (OPTIMAL)“ bewilligt. Koordiniert wird die ortsverteilte Gruppe von der RWTH Aachen; entscheidend beteiligt ist auch die Universität Bremen durch Physik-Professor Michael Sentef als Co-Sprecher. Ziel der Forschungen ist es, mit Ansätzen theoretischer und experimenteller Physik die funktionalen Eigenschaften neuartiger Materialien durch Licht zu kontrollieren.
Insgesamt sind 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler (12 Projektleitende sowie ein Mercator-Fellow aus Harvard) an der neuen ortsverteilten Gruppe beteiligt, in der Professor Dante Kennes (RWTH Aachen) der Sprecher ist. Co-Sprecher ist Professor Michael Sentef von der Universität 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.“
Materialeigenschaften per Licht „wie auf Knopfdruck“ 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 Professor 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 Bremer Physiker.
Kurzzusammenfassung des Forschungsvorhabens aus dem Antrag bei der DFG
Das Forschungsprojekt OPTIMAL untersucht, wie man spezielle Materialien – sogenannte Quantenmaterialien – mit Licht steuern kann. Diese Materialien 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 (z.B. sogenannte 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 Forschenden 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.
Prof. Dr. Michael Sentef
Universität Bremen
Theoretische Festkörperphysik
Institut für Theoretische Physik (ITP) & Bremer Zentrum für Computational Materials Science (BCCMS)
Tel.: +49 (0)421 218-62039
E-Mail: sentef@uni-bremen.de
https://www.uni-bremen.de/en/lmcqm
https://lab.sentef.org
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students
Physics / astronomy
transregional, national
Research projects
German
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