Asymmetrischer Transport in dissipativen Quantensystemen

Transport von Strom, Wärme und auch Information spielt eine zentrale Rolle für viele technologische Anwendungen. Z.B der Computer, auf dem ich diesen Text gerade schreibe, wird durch einen Strom elektrischer Ladungen betrieben. Dieser Text wird dabei vom Computer in einer Abfolge von Nullen und Einsern kodiert, und diese Information kann dann wiederum durch einen Strom von kurzen Lichtpulsen über Glasfasern im Internet weltweit verbreitet werden. All das ist notwendig, damit du diese Zeilen lesen kannst. Wenn es gerade Winter ist, machst du das wahrscheinlich in einem warmen Raum, der durch Transport von Wärme durch Heizungsrohre gewärmt wird. In diesem Projekt untersuchen wir den Transport von Strom, Licht und Wärme, aber unter Bedingungen, die sehr stark von diesen alltäglichen Anwendungen abweicht. Anstelle von Kabeln oder Rohren untersuchen wir Transport durch mikroskopisch kleine Systeme, also so klein, dass die Gesetze der Quantenmechanik eine entscheidende Rolle spielen. Transport von Wärme, z.B., findet dann in Form von einzelnen Quanten, also einzelnen Energiepaketen, statt. Außerdem untersuchen wir den Transport dieser Energiequanten unter dem Einfluss einer gerichteten Dissipation. Der Wärme- oder Energiestrom wird also nicht durch einen Temperaturunterschied zwischen den Enden des mikroskopischen Leiters erzeugt, sondern die Quanten werden durch die Wechselwirkung mit ihrer Umgebung in eine bestimmte Richtung getrieben. Im Gegensatz zum elektrischen Strom, wo die Wechselwirkung der Elektronen mit der Umgebung immer einen Widerstand und daher eine Reduzierung des Stroms bedeutet, macht diese Wechselwirkung hier einen Strom erst möglich. Die Eigenschaften solcher gerichteten Quantenströme sind noch vollkommen unbekannt, können aber eine wichtige Rolle für Energie- und Informationstransport in Nanostrukturen oder aber auch für die Vernetzung von mikroskopischen Generatoren und Maschinen spielen.

Viele technologische Anwendungen beinhalten den Transport. Der Computer, auf dem ich gerade schreibe, wird beispielsweise durch den Fluss elektrischer Ladungen in einem Stromnetz angetrieben. Dieser Text wird dann in spezielle Lichtimpulse kodiert, die über eine Glasfaser zu einem anderen Computer transportiert werden. Es wird dann auf einem Bildschirm angezeigt oder möglicherweise von einem Drucker zu Papier gebracht, wobei beide Geräte auch durch den Transport elektrischer Ladungen angetrieben werden. All dies, damit Sie diese wenigen Worte lesen können. Hoffentlich tun Sie dies in einem warmen Raum, dank eines Rohrsystems, das die Wärme von einer Zentralheizung in den Raum transportiert, in dem Sie sich befinden. Dank des Stromkabels meines Computers, der Wasserleitungen und vieler anderer Geräte ist der Transport überall vorhanden. Und manchmal würde man sich wünschen, dass Transport da wäre: zum Beispiel, wenn man im Stau steht. In diesem Projekt haben wir uns auch mit dem Transport beschäftigt, aber statt große Rohre oder Kabel zu betrachten, haben wir mikroskopische Systeme betrachtet; zum Beispiel kleine elektrische Schaltkreise, die aus Klumpen supraleitenden Materials bestehen, von denen jeder den Durchmesser eines Haares hat. Diese kleinen Komponenten werden durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben, die sich stark von denen unterscheiden, die wir gewohnt sind. Genauer gesagt betrachteten wir eine Art Teilchen, die Bosonen genannt wurden. Um zu verstehen, was sie besonders macht, erinnern Sie sich noch einmal an Ihr letztes Stauerlebnis. Wenn Autos auf einer Einbahnstraße fahren, blockieren sich Autos gegenseitig; Sie können nicht weiterfahren, bis das Auto direkt vor Ihnen dies getan hat. Dies ist ein Beispiel für einen sogenannten "Ausschluss"-Prozess. Bosonen haben ein gegenteiliges Verhalten: Nicht nur können mehrere von ihnen denselben Ort besetzen, sondern sie wollen unter bestimmten Bedingungen sogar noch mehr an Orte gelangen, an denen bereits andere Bosonen vorhanden sind. Das ist, was man einen "Inklusionsprozess" nennen kann. Wir haben ein spezifisches theoretisches Modell untersucht (in dem sich diese Bosonen durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung bewegen), das diese besonderen Eigenschaften in den Vordergrund stellt. Wir fanden Eigenschaften wie "bosonische Staus", bei denen sich Teilchen an bestimmten Orten ansammeln, oder einen grundlegenden quantenmechanischen Effekt, der als Bose-Einstein-Kondensation bekannt ist. Diese Ergebnisse können genutzt werden, um in Experimenten nach neuen Effekten zu suchen und schließlich den Transport von Energie und Information in Nanostrukturen besser zu verstehen.