Nichtgleichgewichts-Quantendynamik korrelierter Systeme

Nichtgleichgewichts-Quantendynamik spielt in unterschiedlichsten wissenschaftlichen Disziplinen, die sowohl in den Naturwissenschaften als auch in den Angewandten Wissenschaften verankert sind, eine wichtige Rolle. Darunter befinden sich Ultrakurzzeit-Laserspektroskopie und Transportphänomene in der Physik kondensierter Materie, Quantenoptik, Halbleiterbauelemente, sowie auch Kosmologie. Viele Systeme dieser Gebiete bestehen aus Komponenten, die stark korreliert sind. Daher müssen Vielteilcheneffekte berücksichtigt werden, um die Physik vollständig verstehen zu können. Der enorme Fortschritt in der Kontrolle optischer und atomarer Systeme führte zur Entwicklung "synthetischer" Vielteilchensysteme; dazu zählen Ensembles von ultrakalten Atomen und Licht-Materiesysteme. Schlüsseleigenschaften von synthetischen Vielteilchensystemen sind die extrem genaue Bestimmbarkeit und flexible Einstellbarkeit mikroskopischer Parameter. Das macht synthetische Vielteilchensysteme zu idealen Kandidaten für die Untersuchung von Nichtgleichgewichts-Quantendynamik und stellt auch neue Herausforderungen an die theoretische Beschreibung, da im Vergleich zur Physik kondensierter Materie extrem unterschiedliche Energie- und Zeitskalen relevant sind. In diesem Antrag schlage ich einerseits vor die Kurzzeitdynamik stark korrelierter Störstellensysteme zu untersuchen, die durch etablierte Quantenoptik Experimente, wie Ramsey, Hahn Spin-Echo oder Rabi Experimente, eingeleitet wird. Diese vorgeschlagenen Experimente ermöglichen es, die universelle Störstellenphysik in Regimes zu untersuchen, welche traditionelleren Experimenten der Physik kondensierter Materie vorenthalten bleiben. Andererseits bin ich am stationären Zustand von Licht-Materiesystemen im Nichtgleichgewicht interessiert, wo sich Fragen bezüglich möglicher Phasen und deren Quantenkritikalität auftun. Von diesen Ergebnissen erhoffe ich mir Beiträge zur Beantwortung der globalen theoretischen Frage, welche Art von Universalität in der Nichtgleichgewichts-Quantendynamik stark korrelierter Vielteilchensysteme besteht, liefern zu können. Das Verständnis von Nichtgleichgewichtsphänomenen in Quanten-Vielteilchensystemen, das durch ein gewinnbringendes Wechselspiel zwischen Experiment und Theorie synthetischer Vielteilchensysteme entstehen kann, könnte den Weg zur Verbesserung und Erfindung von Hightech Anwendungen führen, die in den Gebieten der Materialwissenschaften, Energiewissenschaften oder Quanteninformationswissenschaften verwurzelt sein können.

Das Ziel dieses Schrödinger Stipendiums war es die Dynamik vieler Teilchen auf mikroskopischer Ebene, wo Quantenmechanik eine wichtige Rolle spielt, zu verstehen. Quantenmechanik ist die Theorie der kleinsten Form der Materie. Sie hat viele überraschende und rätselhafte Facetten. Elektronen können sich beispielsweise gleichzeitig wie Teilchen und Wellen verhalten. Obwohl es den Anschein hat, dass Quantenmechanik sehr abstrakt ist, findet man viele Anwendungen im täglichen Leben die auf diese spannende Theorie beruhen. Beispiele sind Transistoren, welche die grundlegenden Bauelemente von Computern und Mobiltelefonen sind, hochakkurate Uhren, die im Globalen Positionsbestimmungssystem (GPS) verwendet werden, Laser mit Anwendungen in der modernen Chirurgie und in DVD-Spielern, sowie Magnetresonanz (MR), die verwendet wird um 3D Bilder unseres Körpers ohne schadhafte Strahlung zu rekonstruieren.In diesem Projekt untersuchen wir die Nichtgleichgewichtsdynamik von Quantensystemen, die aus vielen wechselwirkenden Teilchen bestehen. Ein wesentlicher Punkt ist, dass viele quantenmechanische Teilchen zu Phänomenen führen können, die vom Blickpunkt eines einzelnen Teilchens nicht verstanden werden können. Im übertragenen Sinne bilden diese Teilchen Teams und erreichen dadurch Ziele, die sie alleine nicht erreichen könnten. In der Fachliteratur werden diese Phänomene daher als kollektive Phänomene bezeichnet. Ein tiefes Verständnis dieser Phänomene könnte unser tägliches Leben revolutionieren. Bis es zu technologischen Anwendungen kommen kann, müssen jedoch noch viele offene Fragen. Diese Fragen betreffen im speziellen die Grundlagenforschung, entsprechend dem Ziel dieses Projekts. Wir untersuchten die Basis kollektiver Phänomene, versuchten interessante Effekte zu entdecken und ein Verständnis über die Universalität dieser Phänomene zu erlangen. Um die Quantenmechanik zu verstehen, haben wir aufwendige Computersimulationen durchgeführt und komplexe analytische Techniken angewandt. Darüber hinaus kollaborieren wir mit experimentellen Kollegen, die unsere Ideen in deren Laboratorien umsetzen können und unsere Konzepte experimentell beweisen können.Die Ziele dieses Projekts waren die Nichtgleichgewichtsquantendynamik auf fundamentaler Basis zu verstehen. Fortschritt in diesem Feld, was die Kollaboration von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt erfordert, könnte Technologien, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, revolutionieren.